Termoformación: un gran futuro a la vista

Termoformación: un gran futuro a la vista

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Dentro de diez años los transformadores por termoformación no se van a sorprender cuando se les solicite hacer una parte estructural con una lámina de siete capas, o reforzada con materiales compuestos. Tampoco lo harán cuando se les mencione la termoformación de botellas a partir de dos láminas o la fabricación de microformas de alta tecnología para las industrias médica o de componentes electrónicos. La formación de láminas preimpresas y la decoración dentro del molde serán más comunes, entonces. Los procesadores más aventurados en tecnología estarán operando sus plantas de manera automática ´con las luces apagadas´, dependiendo de simuladores de proceso computarizados y de máquinas controladas CNC, para minimizar la intervención humana en el proceso.

La tecnología disponible en el momento deja entrever los avances del futuro próximo con respecto a materiales, maquinaria y mercados. Pero dada la velocidad a la cual se están presentando estos desarrollos, esta visión del futuro se concretará en una realidad hacia el año 2010, de acuerdo con el pensar de un grupo de eruditos de la industria, entrevistados para efectos de este informe. La consulta se realizó con reconocidos expertos del proceso de termoformado y otras figuras de la industria, para lograr una mayor claridad sobre la forma como ocurrirán las próximas innovaciones.

Consultores de la industria: Jim Throne, presidente de Sherwood Technologies Inc., de Hinkley, Ohio. Art Buckel y Bill McConnell, socios de McConnell Co. Inc., de Forth Worth, Texas.

  • Formadores de lámina gruesa: Stephen J. Murrill, presidente de Profile Plastics Corp., de Lake Bluff, Ill. Pat Long, presidente de Formed Plastics Inc., de Carle Place, N.Y. Richard Freeman, presidente de Freetech Plastics, Fremont, California.
  • Formadores de lámina delgada: Tom Bush, vicepresidente de ingeniería en FabricKal Corp., de Kalamazoo, Mich.
  • Academia: Donald Hylton, director asociado del Centro de Investigación y Tecnología de Clark, de Atlanta University.
  • Moldes: Frank Biller, presidente de Marbach Tool & Equipment, de Elkhart, Ind.
Novedades en materiales
Pregunta¿Cuáles son los cambios que se verán en la disponibilidad de materiales para termoformación en los próximos años?

Biller: En Estados Unidos se observará un mayor uso del polipropileno para hacer tapas de tarrinas y de vasos de yogur, y en general para toda clase de aplicaciones. Cerca de 90% del mercado provendrá del cambio de las tapas formadas por inyección a las moldeadas por termoformación. Las tapas inyectadas actuales son muy pesadas y se pueden hacer por termoformación con un ahorro de 50% en materiales. Esta conversión ya está sucediendo actualmente con las tapas transparentes y preimpresas.

Throne: Solamente hasta ahora hay procesadores de termoformado aprendiendo a trabajar correctamente con los materiales olefínicos. ¿Por qué no hacer también trabajos estructurales con materiales reforzados y rellenos con compuestos? Existen aplicaciones potenciales en la industria automotriz para superestructuras de soporte. El mercado estructural es potencialmente gigantesco, pero se requiere un nivel de entendimiento superior para descifrar los requerimientos de este sector. El principio básico en el proceso de los materiales compuestos es diferente al de los plásticos que se pueden estirar fácilmente. Se requieren en el primer caso, mayores presiones y un control muy estricto de la temperatura.

Buckel: Un número mayor de piezas estructurales se fabricarán con materiales compuestos para aviación. En Europa, ya han tomado la delantera en estas aplicaciones. Se emplean láminas de termoplástico que recubren fibras tejidas de vidrio o de carbón, las calientan y luego bajo una gran presión, empujan mecánicamente el producto para formarlo.

Las piezas termoformadas se emplean para moldear las costillas para las alas y los estabilizadores en la cola de los aviones. Estas son partes que con anterioridad no se habrían hecho de plástico, pero hoy se emplean resinas de consumo masivo reforzadas con fibras de vidrio o de carbón.

Murrill: Estoy convencido de que los materiales del futuro son los de mayor resistencia a la temperatura y las resinas de ingeniería de alto desempeño, las cuales tendrán un desempeño dramático en aplicaciones donde hoy el PE, PP y PS no pueden ser empleados. Estos materiales de mayor tecnología son costosos, pero eventualmente su precio bajará.

Hylton: Necesitamos medir la viscoelasticidad de los materiales de una manera más adecuada, para poderlos aplicar de forma específica a las condiciones y temperaturas de termoformación. En Clark estamos trabajando en la determinación de estas propiedades en un buen número de materiales, entre los que se incluyen las láminas de PP reforzadas. También estamos evaluando materiales que resisten altas temperaturas, como los compuestos de poliimida, que tienen un gran potencial en las aplicaciones estructurales y de desempeño a alta temperatura, pero que son difíciles de procesar.

McConnell: La empresa de termoformación alemana Manfred Jacob se ha unido a Portage Casting & Mold (un fabricante de moldes de Portage, Wis.) para establecer una firma en Norteamérica que haga partes con materiales compuestos. Esta relación representa un gran impulso para la termoformación de materiales compuestos.

P: ¿Veremos más materiales espumados?
Throne: El uso de las láminas de PET espumado está creciendo enormemente. Este material ha existido ya durante diez años y sólo hasta ahora los procesadores de termoformación se sienten cómodos con él. El PET espumado tiene un nicho de aplicaciones importante en panadería y pastelería. La firma Genpack ya aprendió a trabajarlo. Ellos controlan el nivel de cristalización para mantenerlo a un nivel bajo (inferior a 20%), para evitar que las celdas se rompan. Cuando el material está más cristalizado, se hace frágil. Eastman era el líder en este campo en Estados Unidos. Simco también estaba usando esta tecnología en Italia, pero dejó de trabajar en ella hace cinco años cuando los precios del CPET bajaron bruscamente y no hicieron atractivo el empleo de la espuma.

Biller: Los vasos de poliestireno espumado se fabrican a través de un proceso que es costoso. Es muy temprano para predecir qué ocurrirá en este campo con el proceso de termoformación, pero ya se están investigando algunas ideas.

P: ¿Se podrán termoformar los materiales termofijos?
Throne: El proceso de termoformación ya se ha usado con espumas de poliolefinas termofijas. No hay razón por la que un procesador no pueda trabajar con láminas de materiales termofijos. No se puede lograr un estiramiento mayor a 4:1, pero se puede formar hasta cierto punto.

P: ¿Cuál es el potencial de las estructuras multicapas?
Murrill: Una de las aplicaciones próximas puede ser el uso de coextrusiones de materiales suaves al tacto sobre otros más duros; por ejemplo, de poliuretano suave coextruido con un plástico duro. Las estructuras multicapas también se pueden utilizar para reciclar materiales usados. En las partes externas se logra el color deseado y en el interior el material reciclado. De esta manera se puede lograr un ahorro en el costo de los materiales.

Biller: Hemos visto aplicaciones para empaques de hasta siete capas. Han sido estructuras con capas de sellado más EVOH y otros materiales de barrera. Estos materiales se usan para empaques de alta duración en mostradores no refrigerados, como los pudines y los pasabocas de queso y galletas, que requieren meses de exposición en el mostrador. Algunos de estos productos también se usan en microondas. Las láminas de multicapas tienen un impacto potencial en el diseño del molde. Esto depende del espesor de la lámina y de cómo se ordenan los materiales dentro de la estructura.

Láminas gruesas y delgadas
P
: ¿Existen nuevas aplicaciones para las láminas delgadas?
Throne: La fabricación de botellas con lámina doble delgada es un área de importancia que todavía no ha sido explotada. Esto suena futurístico, pero dentro de cinco años el proceso se hará más popular. Se puede hacer el acabado de la rosca y el cuello de la botella y, por lo tanto, no restan limitaciones, excepto aquellas de mercadeo. Por otro lado, la botella puede ser fabricada con la forma de un tubo colapsible para dispensar productos de alta viscosidad.

Trabajé con láminas dobles de PP haciendo botellas en los años 80, pero el PP de aquel entonces no fue el apropiado y el producto nunca fue promocionado, ni exhibido. También se han hecho pruebas para fabricar tubos colapsibles para pastas dentales, pero todavía no han sido lanzadas comercialmente. Por otro lado, una empresa fabricante de bebidas de té buscó a finales de los 70 y comienzos de los 80, la forma de hacer botellas termoformadas con láminas dobles. El proyecto no llegó a la etapa de comercialización. En 1997 vi en Europa una botella de PP de un litro, fabricada con lámina doble en un molde de seis cavidades y con ciclos de 6 segundos, algo que todavía no puede ser igualado en el proceso de soplado de botellas.

Biller: Se puede hacer un vaso con la propiedad de aislamiento térmico empleando láminas dobles. En lugar de usar una lámina de espuma, se pueden trabajar láminas dobles para hacer una capa formada internamente y otra externamente. Tuvimos la experiencia de fabricar envases rectangulares para leche con láminas dobles, hace unos pocos años. Sin embargo, no contamos con la fortuna de que el proyecto despegara. La tecnología existe, pero no así las aplicaciones (todavía).

P: ¿Cuáles son las oportunidades y limitaciones para la termoformación de láminas gruesas?
Hylton: Puede haber un mercado para microformado, para producir partes o empaques muy pequeños. Existe una tendencia hacia el desarrollo de lo que se denomina la nano-tecnología, que involucra la formación de partes más y más pequeñas. Se puede hablar de la fabricación de partes pequeñas como los implantes médicos o los microprocesadores, así como empaques tipo blister diminutos para estos mismos productos. El proceso es crítico en este caso y algo se puede aprender de la formación de láminas gruesas para la formación de piezas intrincadas.

Freeeman: Pienso que habrá una mayor demanda para las piezas de mayor tamaño, a medida que el tiempo avanza. Ya estamos trabajando en algunos de estos proyectos. El número de presentaciones sobre este tema en la conferencia anual de termoformación de la SPE, es un testimonio de esta tendencia.

McConnell: Una de las ventajas de la operación con láminas dobles es que se pueden fabricar partes de dos capas cada vez más complejas. Ya se está pensando en un tanque para combustible fabricado con lámina doble para los mercados europeos y norteamericanos.

Buckel: El mercado de los electrodomésticos también tiene nuevos desarrollos. Un productor de Estados Unidos compró moldes para láminas dobles, para formar la parte interna y externa de la puerta de una nevera, en una sola pieza. De esta manera, se obvió el uso de metal en el exterior y plástico en el interior. Este producto no tuvo buenas ventas en Estados Unidos, pero la BASF está promocionando un producto similar en Europa, en donde las partes interna y externa se forman simultáneamente. No sé si la idea ha tenido éxito, pero alguien al fin la aprovechará.

P: ¿Se puede mezclar el proceso de formación con el de la decoración gráfica?
Bush: Existen buenas posibilidades para que la decoración en el molde continúe progresando en termoformación. Hoy, la mayoría de los empaques se decoran en una operación de impresión secundaria. Podría haber un ahorro en costos si la tecnología de decoración en el molde logra avanzar más. Sin embargo, no he visto uno de estos sistemas todavía que sea más económico.

Biller: Una etapa próxima será la de la formación de láminas preimpresas para hacer tapas de tarrinas. Este proceso requiere de una tecnología especial de registro de las figuras impresas y de la ubicación correcta de la lámina para la formación, ciclo tras ciclo de operación. En la formación de tapas no hay necesidad de estirar la lámina, pero sí es necesario que el centrado de las figuras esté bien controlado en las tapas para lograr un resultado uniforme. Si ocurre un estirado un poco mayor o menor que el especificado, la figura se arruina. El molde debe también permitir una distribución apropiada en los bordes de la tapa y para ello el estiramiento y adelgazamiento debe tomar lugar en las paredes laterales y no en la parte superior de la misma. El enmascarado del calor en el horno puede ayudar a halar material desde el esqueleto de la lámina hacia la tapa con el objeto de reducir el desperdicio, al tiempo que una unidad de prensado puede ayudar a minimizar la distorsión de la impresión.

La termoformación virtual
P: ¿La simulación del proceso podrá cumplir con todo lo que promete?
Bush: La simulación computarizada del diseño del molde y la formación del material es una gran oportunidad para reducir el tiempo de desarrollo de productos mediante los procedimientos usuales de error y ensayo. Este último procedimiento se puede complementar con análisis de elementos finitos para predecir el espesor del material y su rigidez en todos los puntos de la parte terminada. Tal información puede ayudar a redistribuir el espesor del material y fortalecer las áreas débiles.

Hylton: Hay mucho campo para la evolución de los programas de simulación del proceso. Estos deben llegar a ser más fáciles de usar. En la medida en que estos programas avancen, será más fácil determinar los perfiles más apropiados de calentamiento de las láminas, así como el tipo de preformador que se debe emplear, su velocidad y temperatura. El proceso de simulación debe también ayudar a analizar las contracciones y deformaciones que pueden ocurrir en la formación de los productos.

El manejo del proceso
P: ¿Qué más se debe aprender para mejorar el control del proceso?
Throne: Debe haber un uso más inteligente de la presión y la temperatura. Muy pocos procesadores emplean el control de presión en sus procesos. Ellos saben que si aplican una presión adecuada sobre el material, pueden lograr acabados buenos por la transferencia de la textura de la cavidad del molde. Pero todavía no existe conocimiento sobre las propiedades del material y la presión que se debe aplicar, tal como lo es el modulo de flexión, por ejemplo.

Asímismo, pocos son los transformadores que efectúan un control de la temperatura en sus procesos. Muchos utilizan todavía temporizadores, una tecnología de los años 50, o sensores de deformación de la lámina. Las características de un rollo de material son diferentes al comienzo, mitad y final del rollo debido al calentamiento de éste a medida que continúa el proceso. Un temporizador no puede tomar este factor en cuenta, con lo cual las primeras piezas pueden ser de buena calidad y las del final del rollo de mala calidad.

Las máquinas de formación para lámina delgada permiten al operador aplicar más calor a la lámina en la ultima parte del horno, justo antes de entrar a la unidad de formación. Los procesadores usualmente no emplean esta posibilidad como deberían, pero con el tiempo tal conocimiento se difundirá y se verán reducciones en los tiempos de los ciclos.

Murrill: Los procesadores pondrán más atención a los sistemas automáticos de control del proceso, en donde un controlador de temperatura permitirá el avance de la lámina en la máquina una vez alcanzada una temperatura mínima en la misma. Esta temperatura será también mantenida por un espacio de tiempo, de acuerdo con las necesidades del proceso. En la actualidad, esta posibilidad de control representa una tecnología muy avanzada para la mayoría de las aplicaciones. El método tradicional de control de temperatura de la lámina es el error y ensayo. Sin embargo, el control automático ofrece la ventaja de hacer que en todos los ciclos, la temperatura de formación sea la misma. Pueden existir diferentes niveles de temperatura en un proceso de control. Un operador con un medidor manual puede determinar la temperatura de la lámina y ajustar los parámetros del proceso. En otro método, se puede colocar un medidor de temperatura en un punto fijo de la lámina y ajustar sobre esta base los parámetros del proceso, acompañado de un sistema automático de medición de la respuesta en el proceso. Un desarrollo futuro puede involucrar el uso de sensores múltiples que vigilen la lámina en varios puntos todo el tiempo.

Long: Una área de mejoramiento importante es el proceso de enfriamiento, el cual puede ser aplicado especialmente a la formación con láminas gruesas. Las máquinas de esta clase son costosas y de gran tamaño y todavía emplean ventiladores para enfriar el producto terminado. El enfriamiento de las láminas de 1/4 o 3/8 de pulgada toma cerca de 50% del tiempo del ciclo. Algunos procesadores usan aspersiones de agua, pero es un proceso engorroso. Tiene que existir una mejor manera para acelerar el proceso de enfriamiento del producto terminado.

Murrill: Soy un firme creyente en las máquinas totalmente eléctricas y en los controladores con microprocesadores. Estos son esenciales cuando se trata de mantener la exactitud y la precisión del proceso. Permiten manejar la producción de una manera diferente, generando reportes detallados del desempeño de la máquina en cada turno, lo cual le da la oportunidad de mejorar el proceso y hacerlo más eficiente.

P: ¿Es posible manejar el proceso sin operarios?
Buckel: Sí es posible trabajar ´con las luces apagadas´ si se cuenta con un buen sistema de control. Vi una planta en Alemania trabajando en estas condiciones hace algunos años. Había ocho máquinas funcionando continuamente en la oscuridad ya que no había operarios. Los nuevos rollos eran provistos desde un dispensador a través de la pared del cuarto de termoformación.

La construcción de moldes
P: ¿Cuál será el papel de las nuevas tecnologías de fabricación de moldes en la próxima década?

Bush: El aluminio poroso está llamando la atención en termoformación. Ofrece la ventaja de que no deja marcas y quizás también mejora el proceso de enfriamiento. Los moldes porosos permiten aplicar otros conceptos de diseño de moldes. Así como la termoformación se diferencia por la ausencia de los puntos de inyección, el proceso puede también destacarse por la calidad superior de los acabados.

Biller: El incremento del número de cavidades dentro de los límites físicos del área de formación es un reto de innovación. Los cambios recientes en el diseño de las placas de corte hacen posible reducir la distancia entre las cavidades del molde para aumentar la productividad y proporcionar mejores resultados económicos. Uno puede, por lo tanto, aumentar el número de filas de cavidades en el molde o reducir el material requerido con el mismo número de cavidades.

Throne: Los equipos CNC están ayudando a los termoformadores a entregar prototipos de producción de una manera más rápida. Hoy pueden terminar un prototipo en unos pocos días en lugar de semanas, como ocurría antes, cuando se trabajaban modelos de madera. Los equipos de maquinado eran empleados únicamente para cortar partes remanentes. Hoy, hacen los moldes, lo cual ha representado una verdadera innovación en la industria. Las firmas hacen prototipos a partir de espuma sintáctica maquinada con equipos CNC. La espuma también puede ser usada para hacer los preformadores.

Tomado de Plastics Technology con autorización del editor.

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