¿Cómo establecer la ventana de procesamiento en inyección?

El Diagrama de Área de Moldeo (MAD, del inglés "Molding Area Diagram") es un método sencillo y económico para analizar en forma cuantitativa diversas características del proceso de moldeo por inyección. Inicialmente este diagrama se desarrolló con el fin de medir la robustez del proceso en las primeras etapas de uso de los moldes para apoyar a los técnicos en la identificación de problemas, y determinar en forma cuantitativa el efecto que podía tener en el proceso el cambio de algunas herramientas o parámetros. El procedimiento consiste en determinar los rangos o latitudes de presión de moldeo a dos o tres temperaturas distintas y graficar los resultados. 

La figura 1 muestra un diagrama MAD básico, donde se representa todo un rango de procesamiento para una combinación molde/máquina determinada. Se trata de una figura geométrica inclinada con 4 fronteras, dos relacionadas con la temperatura y dos con la presión. Fuera de estas fronteras el proceso no puede existir. Sobre estas fronteras se pueden identificar 4 características de proceso cuantificables: la latitud (rango) de moldeo, el área, la inclinación y la velocidad de decaimiento del MAD.

A través de la latitud de moldeo es posible determinar qué tan balanceado es el llenado de las cavidades en el molde. Calculando el área dentro del diagrama es posible comparar entre sí varios materiales a ser inyectados, o determinar qué molde se comporta mejor durante el proceso de inyección. El diagrama también sirve para determinar qué tan sensible es el proceso a las variaciones de viscosidad, y permitirá determinar en qué rangos de presión se puede operar la máquina de moldeo por inyección para una temperatura determinada.

La naturaleza de la falla en los límites superiores e inferiores de la presión de la latitud de moldeo es la clave para el mejoramiento del proceso. Los límites de la latitud de moldeo son el resultado de un desbalance en el llenado de las cavidades del molde. Entre más desbalanceado sea el patrón de llenado de los moldes, menor y menos robusta es la latitud de moldeo.

En moldes con múltiples cavidades, cada cavidad del molde se llena en un tiempo diferente. Esto se debe a pequeñas diferencias en el flujo, la temperatura o a efectos reológicos y de la entrada. La presión ejercida sobre el plástico al final del proceso de llenado es independiente del tiempo, lo que significa que, como cada cavidad se llena en un tiempo diferente, cada presión final será diferente.

Ya que la contracción es una función lineal de la presión de la cavidad, cada pieza se contraerá de manera diferente dependiendo de cuándo se llenó. Este efecto se puede confirmar por medio del peso de cada una de las cavidades. En un molde de múltiples cavidades típico, con cavidades "idénticas", el peso de cada cavidad será diferente y el patrón de peso resultante es similar al patrón que sigue la secuencia de llenado de las cavidades.

Ejemplo
La mejor forma de entender el concepto de funcionamiento de MAD es mediante un ejemplo práctico. La figura 2 muestra los resultados y el análisis de un molde de canales calientes sencillo con 48 cavidades, que se trabaja con polietileno de alta densidad (PEAD). En este caso, se trataba de la producción de una pieza de pared delgada con un espesor un poco mayor de 1mm. La caracterización cuantitativa del MAD se realiza una vez se grafica el proceso. En este ejemplo se miden las cuatro características, latitud de moldeo, área, inclinación y velocidad de caída del MAD, y se describe su importancia. Las fórmulas para cada una de estas características se pueden deducir de manera sencilla e incorporarlas en una hoja de cálculo estándar.

Latitud de moldeo: este es el rango de presión contenido dentro de los límites de las fronteras del proceso. En este ejemplo, el rango a 450°F es 150psi (la resta entre 1550 y 1400), a 500°F es 200psi y a 550°F es de 350 psi. Un rango mínimo general en un proceso de producción es 100 psi. En este caso, los tres rangos de temperatura son aceptables.

Para seleccionar la temperatura del límite superior, simplemente se dejó que la temperatura máxima fuera muy alta y causara algún problema de operación. La temperatura mínima es aquella en la que el desempeño del producto puede verse afectado debido a la orientación excesiva, lo que provoca agrietamiento durante el uso normal. Finalmente se eligió la temperatura media como temperatura de operación en este proceso.

Área del MAD: Este es el área que se encuentra contenida dentro de los límites del trapezoide. Para calcular este valor y el de las otras dos características, se recomienda utilizar una hoja de cálculo e introducir en ella las fórmulas para cada característica. De esta forma al mismo tiempo se puede generar el gráfico. Ya que el proceso es lo suficientemente sencillo, tanto los cálculos como el gráfico se pueden hacer manualmente. El área resultante es un excelente parámetro de comparación numérica cuando se realizan estudios de evaluación de materiales y calificación de la calidad de los moldes. Un uso típico de este valor sería comparar la robustez de moldes "idénticos" o un valor de referencia para el mismo molde cuando se han realizado varios cambios sobre él. De esta forma, con el uso de este parámetro se pueden llevar a cabo evaluaciones y comparaciones objetivas de materiales.

Visco-sensibilidad: La inclinación de la figura provee otro valor útil para ayudar al técnico a caracterizar la robustez y los problemas potenciales en el proceso. Si se traza una línea uniendo los puntos medios de las curvas que determinan las fronteras superiores e inferiores de la temperatura, es decir, los puntos medios de las latitudes de moldeo máxima y mínima, la visco-sensibilidad es la pendiente de dicha línea. Este valor, como su nombre lo indica, brinda un índice de sensibilidad relacionado con la viscosidad del polímero fundido y refleja la combinación del efecto de la viscosidad del material y la geometría del molde.

La visco-sensibilidad tiene una conexión importante con la robustez del proceso: entre menor sea la inclinación, el proceso será menos sensible a los cambios de viscosidad causados por la temperatura y a variaciones en el material. La pendiente de la inclinación para este ejemplo es -2.5psi/°F. Este valor se encuentra dentro del rango de valores típicos observados para este parámetro. Generalmente, el trapezoide esta inclinado hacia la izquierda, lo que produce una pendiente negativa; sin embargo, ocasionalmente se han observado procesos muy robustos con inclinación prácticamente nula dentro del rango de temperaturas evaluado. Los procesos que presentan pendientes mayores a -10psi/°F generalmente tienen una historia con muchos problemas de operación.

Visco-decaimiento: Un aspecto notable del gráfico MAD es la contracción de la latitud de moldeo a medida que la temperatura de fusión disminuye. Si la geometría del MAD se considera invertida, como una pirámide truncada, la velocidad de disminución de la latitud de moldeo se puede determinar a partir de un cálculo lineal sencillo. (Pueden presentarse algunas curvas en esta frontera, pero en un proceso de moldeo típico, estas fronteras de latitudes son difusas y se puede asumir que son líneas para cualquier propósito práctico).

En este ejemplo, la velocidad de caída es -2.0 psi /°F. Este dato es otro indicador de la estabilidad y la robustez del proceso. Su valor es típico en muchos productos y puede ser cercano a cero en productos muy robustos.

Un "subproducto" interesante de la viscocaída es la posibilidad de calcular la temperatura a la cual el proceso desaparecerá. En este ejemplo, la latitud de moldeo a 450°F es 150 psi. Utilizando la velocidad de caída calculada, la latitud de moldeo será cero a 375°F. En este punto, la pieza moldeada tendrá simultáneamente partes incompletas y quemadas.

Procedimiento para dibujar un MAD
Para obtener información de alta calidad con este procedimiento, es necesario realizar una planeación cuidadosa y ser disciplinado.

Latitudes de moldeo: La presión de sostenimiento de la máquina debe estar en su nivel más bajo de tal forma que el tornillo se mantenga estable durante la transición inyección/sostenimiento y evite que se llenen en cualquier medida las cavidades del molde. El ciclo total de la máquina debe ser el tiempo normal de producción. Cuando se ajuste la presión de inyección para alcanzar los límites de falla de los atributos, el límite seleccionado debe estar dentro del punto de falla. Si las piezas están incompletas o el desmoldeo es pobre, quiere decir que los límites se han excedido y los datos no se pueden utilizar. Los límites tienden a ser difusos debido a variaciones normales del proceso. Aléjese ligeramente de los extremos cuando esté determinando los límites. Unos cuantos psi no afectan de manera significativa los resultados finales.

Temperatura: La mínima diferencia entre las temperaturas máxima y mínima necesarias para obtener información útil del proceso es de 25°F. Una diferencia de temperatura de 50°F es adecuada y generalmente alcanzable. El primer paso para construir un MAD es determinar la temperatura máxima y la mínima. El problema es que la determinación de estas temperaturas es un proceso subjetivo, particularmente la selección del límite inferior, y depende en gran parte del juicio y la experiencia del técnico. La temperatura superior generalmente es más fácil de determinar, pues se selecciona cuando se comienzan a presentar problemas en el proceso.

El límite de temperatura inferior se caracteriza generalmente por una presión excesiva y/o degradación física de las propiedades. Cada técnico tiene su opinión personal acerca de lo que significa una presión máxima de inyección "cómoda". La respuesta física del polímero a la temperatura de fusión es otra característica que debe ser considerada fuertemente. Muchos procesos cuentan con una latitud de procesamiento amplia, de tal forma que se pueden moldear piezas a una temperatura mucho más baja con respecto a la temperatura a la cual se desarrollan algunas propiedades físicas. La propiedad que falla comúnmente es la resistencia al impacto. El moldeo a temperaturas muy bajas produce piezas con orientación acumulada, lo que genera una baja resistencia al impacto.

El límite superior de temperatura generalmente se caracteriza por la degradación del material o problemas de moldeo debido a una baja calidad en el desmolde la pieza. Estas fallas se identifican fácilmente.

Durante el experimento, planee determinar una latitud en el punto medio de las dos temperaturas extremas. Esto brinda mayor confiabilidad a la gráfica del proceso. La temperatura en la máquina de moldeo debe ser estable cuando esta se vaya a operar. Generalmente esto se alcanza dejando la máquina operando durante una hora. Cuando lleve a cabo un procedimiento para obtener un MAD, comience por la temperatura más baja. En la práctica, las temperaturas de los barriles de las máquinas de moldeo por inyección sólo se pueden aumentar. Una máquina de moldeo se demora 3-6 veces más en bajar la temperatura que en aumentarla en el mismo valor.