¿Cómo calcular la cantidad de cavidades en moldes, equilibrando aspectos técnicos y económicos?

El proceso de inyección de plásticos para manufactura de partes técnicas ha tenido un crecimiento gradual y sostenido en los últimos 10 años, debido a los múltiples beneficios técnicos y económicos que se obtienen con referencia a otros procesos de transformación de materiales.

Hoy en día piezas con requerimientos específicos en cuanto a comportamiento mecánico, reducción de peso, resistencia al desgaste, aislamiento eléctrico, alta estabilidad dimensional y estabilidad química en presencia de medios agresivos han encontrado en este proceso la mejor solución, y de hecho han ido desplazando a materiales con una muy alta tradición en aplicaciones industriales, tales como los bronces, aluminios, fundiciones de hierro gris y de acero y muchas otras aleaciones, que por su proceso de obtención y mecanizado serían alternativas mucho más costosas. El proceso de moldeo por inyección, complementado con una correcta aplicación de criterios de selección de materiales, puede dar resultados inesperadamente buenos.

En este panorama de sustitución de materiales tradicionales por plásticos el transformador se enfrenta a un mercado nuevo donde debe saber calcular el precio de las piezas que inyecta; en la tabla 1 se listan los aspectos principales que influyen en el costo de fabricación. Como se observa, el número óptimo de cavidades en el molde es un factor clave dentro del costo final de producción de una pieza inyectada, porque determina qué volumen de producción se puede fabricar, cuánta materia prima se desperdicia por llenado de canales y qué tan complejo va a ser el molde de inyección.

El objetivo de este artículo es presentar un método para calcular el número óptimo de cavidades, evaluando los aspectos técnicos y económicos involucrados en el proceso.

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¿Qué limita el número de cavidades? 
Si bien es cierto que sería deseable tener un número alto de cavidades a fin de aumentar al máximo el volumen producido por cada ciclo de inyección, esto no siempre es conveniente, ya que en algunos casos la complejidad de los sistemas de llenado, refrigeración y expulsión en el molde hace que su operación sea difícil de controlar y que las piezas obtenidas tengan defectos asociados a problemas en el llenado de algunas cavidades. A medida que aumenta el número de piezas a inyectar por ciclo, aumenta la probabilidad de tener diferencias dimensionales, de acabado superficial y de propiedades mecánicas entre productos. De otro lado, un número muy alto de cavidades puede elevar sustancialmente el costo de manufactura del molde o complicar innecesariamente el control del llenado de los canales. Además, el número de unidades que es posible producir por ciclo está restringido por parámetros técnicos de la máquina inyectora, tales como capacidad de plastificación (cm3/seg), capacidad de inyección (cm3) y fuerza de cierre (kN).

Los programas de simulación de llenado y enfriamiento de los moldes de inyección son herramientas muy útiles para los ingenieros de diseño, y permiten predecir con precisión el comportamiento del molde diseñado antes de su manufactura, lo cual sin duda ahorrará costos por modificaciones posteriores a su fabricación.

Método de cálculo del número óptimo de cavidades 
Para presentar el método seguiremos un ejercicio práctico de producción, en el cual se quiere encontrar el número óptimo de cavidades para inyectar anillos guía separadores de cadenas como el ilustrado en la  tabla 3 En la  figura 2  aparecen las especificaciones del producto a fabricar, y en la  tabla 3 aparecen las especificaciones técnicas del equipo disponible.

1. Para encontrar el número óptimo de cavidades el primer paso es determinar la presión de inyección requerida para el procesamiento de la pieza. En la figura 2 aparece la curva que relaciona la presión de inyección con la longitud de flujo y el espesor de pared para este material específico. Entramos a la gráfica con los siguientes valores: longitud de flujo = 160 mm y espesor mínimo de la pieza = 3 mm, y obtenemos una presión de inyección (Pi) de 260 bares (2600 N/cm2).


2. Es necesario encontrar el peso de la pieza para el material específico. Multiplicando el volumen por la densidad:
   **B2BIMGEMB**1**
   
   Es necesario contabilizar el porcentaje de material requerido para llenar las venas y canales de alimentación a la cavidad del molde. En este caso, se asume que se requiere un 7% más de material, por lo que la masa final requerida sería de 29,03 g.


3. El número óptimo de cavidades desde el punto de vista técnico depende de la capacidad de inyección, de la capacidad de plastificación y de la fuerza de cierre de la máquina.

Número de cavidades según capacidad de inyección (N1): Según la ficha técnica que se presenta en la tabla 3 la capacidad de inyección de la máquina en este caso es de 231 cm3; si se divide este volumen entre el volumen Vp requerido para cada cavidad (22.61 cm3 más Vc que equivale a un 7% adicional) se encuentra que para esta máquina se podrían inyectar 9 cavidades:
**B2BIMGEMB**2**

a) Número de cavidades según capacidad de plastificación (N2): Empíricamente se ha demostrado que N2 es un 80% de N1. Luego en este caso,

N2 = 0.8 x 9.5 = 7.6 =7

b) Número de capacidades según fuerza de cierre (N3): la fuerza de cierre de la máquina debe ser capaz de mantener cerrado el molde en el momento de la inyección; es decir, la fuerza ejercida por la máquina debe ser mayor que la fuerza ocasionada por la presión dentro de la cavidad del molde en sentido perpendicular a su plano de partición.

Para calcular la fuerza de inyección, se multiplica la presión interna (Pi) generada por el área proyectada (Ap):
**B2BIMGEMB**3**
Asumiendo que la fuerza se reparte equitativamente sobre todas las cavidades a ser inyectadas, la fuerza nominal de inyección de la máquina debe suplir la fuerza de inyección de cada cavidad. Luego dividiendo la fuerza total entre la fuerza necesaria por cavidad es posible determinar cuántas piezas es posible inyectar en cada ciclo. De la tabla 3 se observa que la fuerza nominal de cierre de la máquina es de 800 kN. Luego:

N3 = 800 / 196,04 = 4 cavidades

En este caso particular, el límite técnico está establecido por la fuerza de cierre de la máquina.

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4. El siguiente paso es hacer un análisis económico para establecer qué número de cavidades genera el mejor desempeño costo/beneficio. La tabla 4 hace una recopilación de todos los rubros involucrados en la determinación del número de cavidades empleando las especificaciones de la tabla 2. Como se ve, el número óptimo de cavidades desde el punto de vista económico se obtiene sumando todos los costos involucrados. Esta hoja de cálculo está disponible para ser usada y puede acceder a ella desde  (tabla 4)

En este ejemplo en particular, el número más rentable de cavidades coincide con el límite técnico encontrado.

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Conclusiones
Como se observó en el ejemplo anterior, el número óptimo de cavidades debe encontrarse desde el punto de vista técnico y desde el punto de vista económico; los dos valores encontrados pueden ser diferentes.

Para esta aplicación un número teórico de cuatro cavidades brinda condiciones aceptables de operación tanto técnicas como económicas. Sin embargo, según el resultado obtenido aplicando el criterio de fuerza de cierre estaríamos usando la máquina en el límite de su capacidad, y existiría el riesgo de tener rebabas en la producción, aunque la productividad sería máxima; será necesario en cada caso específico decidir si se sacrifica productividad empleando un molde de 3 cavidades para no correr riesgos de sobrepasar el límite de la fuerza de cierre, o si es posible inyectar cuatro piezas por ciclo sin requerir un maquinado adicional en la pieza terminada. Otra posibilidad sería buscar una máquina de mayor fuerza de cierre, que se ajuste con seguridad al número de cavidades más rentable establecido a través del análisis económico.

En general los criterios aquí presentados son aplicables a procesos de inyección de lotes discretos de producción; para piezas en grandes tirajes con más de 10 cavidades en el molde, es necesario controlar y calcular con precisión el desperdicio de material por canales y vías de alimentación, porque se convierte en un ítem generador de costos mucho más relevante.