Optimización de las propiedades de barrera mediante simulación

Resumen
Este artículo presenta una investigación sobre la optimización del diseño de una preforma para producir botellas en PET usando un programa de simulación de moldeo por soplado y buscando obtener una distribución uniforme del espesor y mejores propiedades de barrera. Las propiedades de barrera se estudiaron calculando la razón total de soplado (BUR por sus siglas en inglés) de la botella al estado inicial y final. La botella soplada usando el nuevo diseño de preforma presentó un valor más alto de la BUR, indicando mejores propiedades de barrera debido al incremento en la orientación molecular. Los resultados de la simulación se utilizaron también para estudiar la resistencia mecánica y las variaciones de presión interna en la botella usando un análisis de elementos finitos en Pro/Mechanica.

Introducción
El uso de botellas plásticas ligeras en la industria de alimentos y bebidas está en constante crecimiento debido a que los empaques plásticos son más livianos, más resistentes y más baratos comparados con los envases en vidrio. El mercado para las botellas en PET también ha visto un crecimiento especial durante las últimas décadas dado que éstas ahora son más livianas y son fácilmente reciclables. Una de las principales preocupaciones con este tipo de empaques recae en el hecho de que cuando ciertos plásticos se ponen en contacto con alimentos algunas sustancias químicas pueden migrar del empaque hacia los alimentos. Uno de tales casos es la difusión de gas carbónico CO2 a través de la botella de PET que contiene bebidas a presión. La migración de tales gases reduce el sabor de la bebida y gradualmente deteriora la calidad del líquido. Por lo tanto es absolutamente necesario mejorar las propiedades a la barrera en tales envases plásticos.

El moldeo por inyección soplado es un proceso de manufactura para botellas y contenedores de plástico con orientación biaxial en la que una preforma, moldeada por inyección, se sopla a presión en un dado con la forma de la botella. Este proceso tiene la ventaja de aumentar la resistencia mecánica a la tensión del material, mejorar las propiedades de barrera, incrementar la resistencia al impacto, optimizar la claridad y aumentar el nivel de carga máxima de la botella en comparación con otros procesos.

El tiempo de vida útil de una botella de PET depende de sus propiedades materiales tales como contenido cristalino, grado de orientación y distribución de esfuerzos residuales. La migración de gases como el CO2 y el O2 en botellas moldeadas por soplado involucra básicamente dos etapas: absorción de los gases en la pared de la botella conduciendo a una reducción de concentración y difusión a través de la pared de la botella hacia el exterior.

Varios estudios se han realizado para mejorar las propiedades de barrera de las botellas plásticas. Una de las estrategias para mejorar las propiedades de barrera consiste en utilizar tecnologías multicapas. Las preformas con tal tecnología poseen dos, tres o cinco capas producidas con tecnología de co-inyección o de inyección secuencial. En tales casos, las capas interna y externa están fabricadas en PET entre tanto que las capas funcionales, con altas propiedades de barrera, se ubican en el medio.

Boutroy et al desarrollaron un proceso de deposición asistida por plasma para recubrir una superficie de PET con una capa transparente de carbono amorfo hidrogenado de 100nm de espesor. Las capas de carbono amorfo hidrogenado se depositaron dentro de la botella de PET utilizando un reactor de microondas para plasma. Se determinó que los contenedores no recubiertos tuvieron una vida útil de 10 semanas, mientras que los contenedores recubiertos tuvieron una vida útil de 44 – 45 semanas. Además este desempeño se podía mejorar incrementando el espesor del recubrimiento.

Shirakura et al utilizaron un método para mejorar las propiedades de barrera a través de un recubrimiento de carbono tipo diamante (DLC por sus siglas en inglés) al interior de las botellas de PET. Las propiedades únicas de las capas de DLC, tales como la inercia química y la impermeabilidad, han encontrado aplicaciones en los campos de alimentos, bebidas y medicina.

Schiavone comparó las mezclas de PET y PETI-40 con co-poliésteres aleatorios de la misma composición y encontró que las propiedades y el desempeño de los co-poliésteres podían ser manipulados a través de la inserción de unidades de repetición en la cadena.

El efecto del contenido cristalino y del contenido de láminas de talco sobre las propiedades de barrera al oxígeno en el PET fueron investigadas y comparadas por Sekelik et al. El contenido cristalino se indujo en el PET a través de fenómenos de cristalización en estado vítreo (cristalización en frío).

La barrera al dióxido de carbono y a la humedad puede ser mejorada por medio de la orientación de las moléculas de polímero. La orientación se obtiene por deformación del material a una temperatura inferior a la temperatura de cristalización y superior a la temperatura de transición vítrea. Uno de los factores cruciales en el moldeo por soplado es la temperatura de orientación i.e. el rango de temperatura en el cual la preforma se debe mantener para que las moléculas de polímero se alineen durante el proceso de soplado. El rango de temperatura de orientación para el PET está entre 190F y 240F (88C - 116C).

Algunos estudios han demostrado que la orientación de las cadenas de polímero y el endurecimiento por deformación resultan en un mejoramiento de las propiedades de barrera, de la resistencia a la tensión y de la uniformidad del espesor de pared. El proceso ISBM involucra una deformación biaxial (en la dirección del eje y en la dirección radial) durante el soplado de la preforma en la cavidad del molde. En el proceso ISBM, el producto de las razones de deformación en la dirección radial y en la dirección axial se conoce como la razón total de soplado (BUR). Este indicador (BUR) determina el nivel global de deformación que la lámina de PET sufrió durante el proceso de conformado. Entre mayor sea el valor de BUR, mejores propiedades mecánicas y de barrera se obtienen para la botella debido a un incremento en la orientación molecular.

Este artículo presenta un estudio del mejoramiento del diseño de una preforma utilizando el programa de simulación B-SIM y muestra que las propiedades de barrera se pueden aumentar mejorando la razón total de soplado al optimizar el diseño de la preforma para botellas en PET.

Simulación del proceso de moldeo por soplado
Son tres las etapas principales que sigue la preforma al interior del molde de soplado. Estas son la deformación elástica, la deformación plástica y el endurecimiento por deformación. La primera etapa es la deformación elástica, acontece en los primeros instantes en que la barra de deformación comienza a deformar la preforma. Si durante esta etapa la barra de deformación se retracta, la preforma se encoge a su tamaño y forma originales. La segunda fase es la deformación plástica. En esta etapa los niveles de esfuerzo no aumentan y el material se deforma con facilidad. Esta etapa acontece cuando el aire de pre-soplado infla parcialmente la preforma hasta que ésta alcanza el punto de deformación natural, a partir del cual se requiere un mayor esfuerzo para alcanzar una mayor elongación. La tercera etapa está asociada al endurecimiento por deformación, cuando los niveles de esfuerzo crecen exponencialmente al incrementar el nivel de deformación del material. Es durante esta etapa que el material desarrolla la orientación y la botella soplada se conforma completamente. Todas las etapas mencionadas tienen la misma importancia para la conformación por soplado de la botella final.

B-SIM es el programa de simulación para moldeo por soplado desarrollado por Accuform que se utilizó en este estudio. El uso de un programa de simulación reduce el tiempo de diseño de producto y evita la necesidad de realizar costosos ensayos de prueba y error para obtener un buen resultado. El programa de simulación B-SIM permite modificar la distribución de espesor en el producto final a través de la manipulación de sendos parámetros en la preforma tales como el espesor inicial y la temperatura. Al final es posible seleccionar el diseño óptimo a partir de todas las alternativas analizadas. La simulación también permite estudiar el proceso de enfriamiento, analizando el fenómeno de encogimiento de la pieza y calculando, de paso, el peso final de la pieza.

Inicialmente la geometría de la preforma se creó en el software Pro Engineer Wildfire y luego se exportó hacia B-SIM. Los tres elementos requeridos por el programa B-SIM son la geometría de la preforma, la geometría del molde y la geometría de la barra de deformación. Una vez que todos los elementos están cargados en el programa, se realiza el mallado de la preforma usando el módulo FEM. Es necesario también especificar las propiedades del material y las condiciones de proceso para lanzar la simulación. La simulación arroja resultados tales como la distribución de espesor, los esfuerzos de von-Mises y la evolución de la temperatura. Estos resultados se analizan, se verifican y, si no son aceptados, se repite el proceso completo de simulación.

Se utilizó una botella comercial en PET de 600ml como objetivo de estudio. Las dimensiones de la preforma para la botella fueron obtenidas con la compañía fabricante de la botella. El programa Pro/Engineer se utilizó para generar los modelos CAD. Inicialmente, la rosca fue ignorada tanto en las geometrías de la botella como en la de la preforma porque esta no está involucrada en el proceso ISBM. La Tabla 1 muestra las dimensiones del diseño inicial de la preforma y la Figura 1 presenta el modelo CAD de la forma básica de la preforma.

Tabla 1. Dimensiones del diseño de la preforma inicial

Longitud de la reducción (mm)	Longitud del cuerpo (mm)	Espesor en el cuerpo (mm)	Longitud de la tapa final (mm)	Diámetro interno (mm)	Longitud de la preforma total (mm)
15.09	57.48	3.80	9.92	8.44	86

 El siguiente paso consistió en analizar la preforma obtenida y modificar las dimensiones para desarrollar un nuevo diseño de preforma que permitiese tener una reducción de material y una distribución uniforme del espesor a lo largo de la botella. Una vez se obtuvo la distribución de espesor en la botella soplada usando la preforma existente, ésta se utilizó como referencia para obtener la nueva distribución de espesores. Después de varias pruebas de ensayo y error variando las dimensiones de la preforma, se terminó un nuevo diseño de la preforma en el programa Pro/Engineer. La longitud de la zona reducida y la longitud del cuerpo de la preforma se mantuvieron constantes con respecto a las dimensiones originales, i.e. 15.09mm y 57.48mm respectivamente. El espesor del cuerpo se redujo en 3mm desde 3.80mm a lo largo de toda la longitud de la preforma. También, la longitud total de la preforma se redujo hasta 85.16mm desde 86mm. Otra modificación realizada fue la reducción del radio final de la tapa a 9.62mm desde 9.92mm.

El nuevo diseño de la preforma se exportó al programa de simulación del proceso de moldeo por soplado (B-SIM) para estudiar su desempeño. El diseño de la preforma se guardó en formato STL para cargarlo en el programa B-SIM. El nuevo diseño de la preforma se malló en el programa B-SIM utilizando elementos de tipo fibra neutra. Una de las ventajas al usar B-SIM es que el perfil de temperatura puede imponerse sin restricciones sobre el modelo importado y, además, el espesor de pared en la preforma se puede modificar por secciones específicas.

El programa de moldeo por soplado B-SIM se utilizó entonces para predecir la distribución final del espesor de pared de la botella soplada usando el nuevo diseño de la preforma y las condiciones de proceso tales como el nivel de presión y el perfil de temperatura. En este estudio se conservaron las geometrías del molde y de la barra de deformación en relación con las empleadas en el estudio de la preforma inicial. Solo la geometría de la preforma se modificó para obtener una nueva distribución de espesor de pared.

Una vez los parámetros se encontraban especificados, incluyendo las propiedades del material y la distribución de temperatura a lo largo de la preforma, se lanzó la simulación del moldeo por soplado con el nuevo diseño de la preforma.

Resultados y discusión
Los resultados se utilizaron para predecir la distribución del espesor de pared final en la botella soplada usando la preforma y las condiciones de proceso especificadas.

La Figura 2 muestra los resultados con la distribución del espesor de pared usando el diseño de preforma inicial. El tiempo total de simulación fue de 200ms y la presión inicial y final de soplado fueron de 950kPa y 4000kPa respectivamente. El tiempo de presión de soplado inicial fue de 347ms y el tiempo de presión de soplado final fue de 1653ms.

Tal como se muestra en el gráfico de la Figura 2 la primera mitad del recorrido corresponde al espesor a lo largo de la primera mitad de la botella. En la región A, tal como se muestra en el gráfico, correspondiente a la base de la botella, el espesor es igual a 3.4mm (valor promedio) y en la región B, que corresponde al cuerpo de la botella, el espesor es igual a 0.4mm (valor promedio). Estos valores se utilizaron como referencia para desarrollar el nuevo diseño de la preforma y el objetivo era reducir el espesor en la base de la botella; lo que conllevaría a una reducción en el uso de resina de PET por cada botella y, en consecuencia, a grandes ahorros en los costos de producción sin afectar la resistencia mecánica de la botella.

Tal como se describió anteriormente una serie de modificaciones por ensayo y error se realizaron sobre la geometría de la preforma con el fin de obtener un diseño óptimo que redujese el espesor en la base de la botella. La longitud del cuerpo, el espesor y el diámetro de la tapa se modificaron conjuntamente para obtener el diseño optimizado de la preforma. La Tabla 2 muestra las dimensiones optimizadas de la preforma.

Tabla 2. Dimensiones de la preforma optimizada

Longitud de la reducción (mm)	Longitud del cuerpo (mm)	Espesor en el cuerpo (mm)	Longitud de la tapa final (mm)	Diámetro interno (mm)	Longitud de la preforma total (mm)
15.09	57.48	3.00	9.62	8.44	85.16

Los perfiles de temperatura, la presión de soplado y la velocidad de la barra de deformación juegan un papel muy importante en el proceso de ISBM. Todos estos parámetros de proceso se concertaron con la compañía fabricante. Utilizar de forma invariable estos factores no es siempre posible; no obstante, las suposiciones realizadas están dentro de los intervalos válidos de funcionamiento del proceso. 

La Figura 3 muestra los resultados con la distribución de espesor de pared obtenido usando el diseño de preforma optimizado.

La botella simulada usando el nuevo diseño optimizado de la preforma tuvo un espesor de 1.8mm (valor promedio) en la base y un espesor de 0.3mm (valor promedio) a lo largo de la botella, tal como lo muestra la Figura 3. La nueva distribución de espesores obtenida fue razonablemente uniforme. Hubo una reducción de aproximadamente 1.6mm en el espesor de la base de la botella y una reducción de 0.1mm en el espesor del cuerpo de botella.

Desempeño a la barrera de la botella
Después del análisis de conformación de la botella el siguiente paso fue predecir el mejoramiento en las propiedades de barrera calculando la razón total de soplado (BUR) en el proceso. Este factor determinara si existen variaciones en las propiedades mecánicas y de barrera de la nueva botella. La razón total de soplado (BUR) indica la tasa global de estiramiento que el material de PET sufre durante el proceso de conformado. Entre mayor sea el valor de BUR mejores propiedades mecánicas y de barrera se obtienen debido a un incremento en la orientación molecular del material.

Para el proceso de moldeo por inyección soplado, la razón total de soplado (BUR) se define como el producto entre la tasa de deformación axial y la tasa de deformación radial, tomando como estados inicial y final la preforma y la botella soplada respectivamente. La Figura 4 muestra las dimensiones principales de la botella y de la preforma. Por lo tanto, con base en la Figura 4, la tasa de deformación axial (axial) se define como la razón entre la longitud de la botella (Lb) y la longitud de la preforma (Lp), y la razón de deformación radial (radial) se define como la razón entre el diámetro exterior de la botella y el diámetro exterior de la preforma. Se obtuvieron los valores de BUR para los dos casos: uno a partir del diseño inicial de la preforma y el otro a partir del diseño optimizado de la preforma.

En el primer caso las dimensiones de la botella soplada con el diseño inicial de la preforma se midieron y se utilizaron para calcular la razón total de soplado. La Tabla 3 muestra las dimensiones obtenidas para la preforma y la botella.

Tabla 3. Dimensiones de la preforma inicial y la botella respectiva

No.	Parámetro	Valor (mm)
1	Longitud de la botella (Lb)	221.99
2	Longitud de la preforma (lp)	86
3	Diámetro de la botella (Db)	72
4	Diámetro de la preforma (dp)	21.74

A partir de los datos de la Tabla 3, la tasa de deformación axial se estimó en 2.581 y la tasa de deformación radial se calculó igual a 3.311. Por lo tanto, la razón total de soplado (BUR1) para la preforma inicial se calculó en 8.545 (producto de las dos razones iniciales).

En el segundo caso, se midieron las dimensiones de la botella soplada con el diseño de preforma optimizada y se calculó la razón total de soplado. La Tabla 4 muestra las dimensiones obtenidas para la preforma optimizada y la botella respectiva.

Tabla 4. Dimensiones de la preforma optimizada y la botella respectiva

No.	Parámetro	Valor (mm)
1	Longitud de la botella (Lb)	221.99
2	Longitud de la preforma (lp)	85.16
3	Diámetro de la botella (Db)	72
4	Diámetro de la preforma (dp)	19.24

A partir de los datos de la Tabla 4, se calculó una tasa de deformación axial de 2.606 y una tasa de deformación radial de 3.742. Por ende, la razón total de soplado (BUR2) para la preforma optimizada fue de 9.751 (producto de las dos tasas de deformación).

A partir de los cálculo anteriores, es claro que BUR2 > BUR1, i.e. el diseño optimizado de la preforma ofrece un mayor valor de BUR y, por ende, mejores propiedades mecánicas y de barrera debido a un mayor orientación molecular. En consecuencia la barrera al oxígeno, al dióxido de carbono y a la humedad se mejora debido a una mayor orientación de las moléculas de polímero. Se puede concluir entonces que la botella con la nueva distribución de espesor de pared posee mejores propiedades de barrera con relación a la botella existente.

Usando los resultados de la distribución de espesor obtenida con la simulación en B-SIM para el diseño optimizado de la preforma, se generó el modelo CAD de la nueva botella soplada y se analizó la resistencia mecánica usando el paquete de elementos finitos de Pro/Mechanica. Este análisis se realizó para condiciones de carga de tope y de presión interna. La distribución de esfuerzos y de desplazamientos en la botella para ambos análisis demostró que el desempeño mecánico de la botella está dentro de los límites permisibles y que el nuevo diseño de la preforma es apto para la manufactura de la botella.

Conclusiones
En este estudio se realizó una optimización del proceso de moldeo por inyección soplado de una preforma con el fin de reducir el uso de material, uniformizar la distribución del espesor y mejorar las propiedades de barrera. Los resultados fueron satisfactorios y en conclusión el nuevo diseño de la preforma es factible y presenta un mejor desempeño con respecto al inicial. Las propiedades de barrera de la nueva botella fueron estudiadas calculando la razón total de soplado (BUR). Los resultados de simulación en B-SIM mostraron que la botella soplada a partir del nuevo diseño de preforma alcanza un mayor valor de BUR, lo que indica que la nueva botella tiene mejores propiedades de barrera debido a una mayor orientación molecular. Un análisis subsecuente de elementos finitos sobre la nueva botella bajo condiciones de carga de tope y presión interna confirmaron un desempeño mecánico satisfactorio.