¿Cómo predecir problemas de manufactura y optimizar procesos de diseño en el moldeo por inyección?

La producción de piezas plásticas moldeadas por inyección es parte integral de muchos de los principales procesos de manufactura actuales. Cada vez más, los plásticos son usados cuando las compañías están interesadas en mejorar el desempeño de sus productos, mientras reducen sus costos de operación y tiempo de entrada al mercado. Es bien conocido que optimizar el proceso de diseño a manufactura disminuye el costo de desarrollo y fabricación, mejora la calidad de las piezas plásticas y reduce el tiempo de puesta en venta de un nuevo producto; y puede sostenerse que la mejor forma de optimizar el proceso de diseño a manufactura de piezas plásticas moldeadas por inyección es implementar herramientas de ingeniería asistida por computador (CAE). Estas herramientas pueden usarse para simular una amplia variedad de fenómenos, ocurridos durante el desarrollo y manufactura de una pieza plástica.

Específicamente, el CAE puede usarse en plásticos para determinar el espesor de pared óptimo de un diseño de pieza dado, o para determinar la viabilidad de manufactura de detalles como una costilla delgada o un repujado grueso. También puede usarse para determinar el perfil óptimo de enfriamiento de un molde de inyección o para encontrar el conjunto ideal de condiciones de procesamiento para una combinación molde

• máquina
• material.

El proceso de moldeo por inyección de plásticos es usado típicamente para producir partes de una geometría relativamente compleja en un solo paso. Esto significa que una vez la pieza ha sido expulsada del molde está lista para su uso o lista para ser agregada en un ensamble más grande. Como resultado, el proceso de moldeo por inyección ha disfrutado de un crecimiento relativamente fuerte en varias ramas industriales por cierto tiempo. Sin embargo, dado que cada vez se producen más piezas de geometría compleja en materiales también muy diversos, es necesario implementar el CAE para la simulación de todas las fases del proceso de diseño a manufactura, y evitar potenciales problemas (como sistemas de alimentación subdimensionados) y defectos en las piezas dependientes del proceso (como disparos cortos, marcas de rechupes e imperfecciones superficiales); el CAE en plásticos agrega una cantidad significativa de valor al proceso en general.

Las simulaciones de CAE para el moldeo por inyección de plásticos pueden ser desarrolladas en las etapas iniciales del diseño de la pieza y del molde, dando la oportunidad de evaluar cada iteración en el diseño, tanto para establecer la viabilidad de manufactura como para determinar la calidad de las piezas. Debido a que el costo de hacer un cambio es más bajo en las etapas más tempranas del desarrollo del producto (y dado que el impacto correspondiente de cualquier cambio posterior es mayor), resulta un gran beneficio económico implementar el CAE para plásticos en etapas tempranas.

Este artículo presenta una breve historia del CAE para los plásticos, una vista general del proceso de moldeo por inyección, y un análisis de los beneficios de implementar el CAE para plásticos en el proceso de diseño a manufactura.

Historia de la simulación en el moldeo por inyección
El proceso de moldeo por inyección se ha usado en la manufactura de piezas plásticas desde mucho antes de que existiera la tecnología de simulación por CAE. Aunque había sido visto con detalle que la calidad de las piezas estaba dictaminada por la compleja interacción entre parámetros de procesamiento como presión de inyección, temperatura de fundido y velocidad de inyección, un moldeo exitoso por inyección siempre se consideraba algo de magia negra. La experiencia era el único medio para manejar los problemas encontrados en el proceso.

La demanda de una mayor calidad y el aumento de los volúmenes de partes moldeadas durante los años 70 llevaron a aumentar el interés en el modelaje matemático del proceso de moldeo por inyección; los primeros esfuerzos en simulación se enfocaron en piezas de geometrías simples y ofrecían muy poca ayuda práctica a los ingenieros involucrados en el moldeo por inyección de piezas más complejas. Sin embargo, los estudios iniciales entregaron una base científica para los desarrollos futuros en la simulación por CAE.

Un avance significativo en la simulación del moldeo por inyección fue la introducción del análisis por elementos finitos (FEA). Aunque el éxito de este método estaba limitado por la tecnología de los computadores disponibles en la época, el uso de la técnica demostró las ventajas de esta aproximación: el modelo para el análisis se asemejaba a la geometría real de la pieza y los resultados podían verse en dicho modelo. Desde entonces, ha habido muchos avances significativos en simular no sólo el flujo del plástico dentro del molde de inyección, sino también procesos más exóticos como la inyección asistida por gas, el proceso de inyección compresión, y el moldeo por coinyección.

El proceso de moldeo por inyección
A primera vista, el proceso de moldeo por inyección parece ser relativamente simple. Un molde es creado para formar la pieza que se quiere producir, el plástico fundido es inyectado en el molde, y la pieza se expulsa cuando está suficientemente fría. A pesar de su aparente simplicidad, hay factores que complican significativamente el proceso:

•  Propiedades del material: los polímeros termoplásticos para el moldeo por inyección generalmente pueden ser clasificados bien como materiales semicristalinos o como materiales amorfos. Ambos tipos de materiales tienen comportamientos termo
• reológicos complejos que impactan significativamente el proceso de inyección y la viabilidad de manufactura de la pieza misma. Los materiales termoplásticos exhiben propiedades no newtonianas en el comportamiento del flujo, queriendo decir esto, que su viscosidad o resistencia al flujo decrece a medida que decrece la tasa de cortante o que la temperatura se incrementa. Debe sumarse que las propiedades térmicas como la conductividad y la densidad del fundido varían con la temperatura, y para los materiales semicristalinos, muchas propiedades varían dependiendo de la tasa de cambio de la temperatura.
•  Complejidad geométrica del molde: por lo general, las piezas moldeadas por inyección son estructuras de pared delgada que pueden ser extremadamente complejas en su geometría. Rellenar los moldes que producen este tipo de piezas requiere de altas velocidades de inyección, lo cual resulta en altas tasas de cortante y en cambios dinámicos de las propiedades del polímero a medida que fluye. Esto hace muy difícil, incluso para los moldeadores experimentados, predecir exactamente cómo un fundido de polímero llenará un molde en particular. 
•  Optimización del proceso y estabilidad: una vez el molde está produciendo, puede dificultarse el mantener las condiciones del proceso estables para producir partes de una calidad aceptable. Esto quiere decir que pequeñas desviaciones en las condiciones del proceso pueden afectar negativamente la calidad final de la pieza.

Los factores expuestos arriba conllevan un nivel de complejidad en el moldeo por inyección que hace necesario el uso del CAE para predecir y resolver problemas potenciales antes de que ocurran. Adicionalmente, el costo de la manufactura de los moldes de inyección puede ser muy alto y cualquier reproceso incrementa estos costos. Todos estos factores se combinan para hacer del moldeo por inyección una aplicación ideal para la simulación por CAE, cuyos beneficios entregan a los usuarios un alto retorno de su inversión.

¿Dónde el proceso de diseño a manufactura se beneficia del CAE?
El reto que muchas compañías encaran hoy es el de encontrar la forma de tomar control total de todas las variables que contribuyen a los costos de las piezas, con el fin de llevarlos a niveles óptimos, manteniendo o mejorando su calidad y bajando el tiempo de puesta en mercado.

El implementar el uso de la tecnología CAE es una de las claves para tomar el control del proceso de diseño a manufactura. Esto significa que se debe emplear la tecnología correcta en la etapa más temprana posible del proceso. Aplicaciones específicas y beneficios del CAE durante cada etapa del proceso están detalladas en la  Tabla 1.

Diseño del producto y desarrollo
Durante el diseño y desarrollo del producto, el CAE puede usarse para:

•  Evaluar los conceptos del primer diseño para determinar la viabilidad de manufactura, e investigar variables como la localización de las entradas de inyección y el espesor de la pieza, para averiguar qué se puede y qué no se puede hacer.
•  Promover un mejor entendimiento de los costos y consecuencias de las escogencias que hagan todos los miembros del equipo de diseño. 
•  Empujar los límites en la etapa de diseño; con la simulación de CAE es posible probar los extremos que pueden llevar a desarrollos nuevos.
•  Optimizar el uso de material y evaluar la viabilidad de manufactura con diferentes opciones de polímeros, con espesores de paredes variables o con diferentes configuraciones del sistema de alimentación.
•  Mejorar la calidad de la pieza. Los resultados de las simulaciones entregan indicios de cómo alcanzar menos deformación, tolerancias más ajustadas, menos esfuerzos dentro del molde, y propiedades mejoradas de las piezas moldeadas, incluso antes de que se construya un prototipo de la herramienta.

Prototipo de la herramienta
Usar el CAE para plásticos puede reducir o eliminar la necesidad de producir un prototipo de herramienta. En su lugar, el prototipaje puede ocurrir en el computador:

• Las iteraciones físicas pueden ser reemplazadas por iteraciones de simulación, ahorrando el tiempo y costo que implican la construcción y modificación de una herramienta física.
•  Los objetivos de desempeño pueden alcanzarse más rápido al usar los resultados de la simulación para identificar y corregir errores antes de que se construya la herramienta. 
•  El proceso de manufactura en sí mismo puede ser simulado y optimizado en un computador de escritorio.
•  Los objetivos de calidad pueden alcanzarse más fácilmente usando los resultados de la simulación para identificar y corregir asuntos antes de que se construya la herramienta.
•  Los objetivos de costos pueden ser configurados y concordados desde esta etapa temprana y baja en riesgos, debido a que los resultados de la simulación proveen información cualitativa y cuantitativa necesaria para optimizar el diseño de las piezas y las condiciones del proceso.

Producción de la herramienta
Se estima que al menos el 50% de las iteraciones que toman lugar típicamente durante el desarrollo de la herramienta de producción, hoy pueden ser evitados, usando la simulación para:

• Reducir las demoras durante la fabricación de la herramienta: la simulación puede proveer información necesaria para que la herramienta quede bien desde la primera vez, evitando la necesidad de hacer costosas modificaciones y sus correspondientes demoras.
•  Optimizar el desempeño de la herramienta: es posible usar los resultados de la simulación para alcanzar tiempos de ciclo más cortos y optimizar el número de cavidades empleado, de tal forma que puedan producirse más partes en una sola herramienta y en un periodo de tiempo determinado.
•  Optimizar requerimientos de la máquina para el tonelaje de cierre: los resultados de la simulación pueden verificar el tonelaje de cierre más bajo posible requerido para producir una pieza satisfactoriamente, haciendo que ésta pueda ser moldeada en la máquina más pequeña y económica.

Producción de la pieza
Usar el CAE en plásticos para simular y optimizar el proceso de producción de la parte puede llevar a:

•  Tiempos y costos reducidos asociados con ensayo y error al hacer las herramientas, permitiendo que una producción total se alcance de manera más rápida. 
•  Tasas reducidas de producción de retal, debido a que las partes se diseñan considerando la viabilidad de manufactura, con una ventana de procesamiento más amplia y robusta.
•  Tiempo de ciclo reducido, que impacta directamente sobre el costo general de la pieza. En promedio, los usuarios de CAE reportan reducciones en tiempos de ciclo del 20% comparando con métodos tradicionales de moldeo sin simulación.
•  Calidad de la pieza mejorada con menores (o sin) operaciones secundarias requeridas.

Beneficios de la postproducción
Los beneficios de usar el CAE para plásticos se extienden dentro de la postproducción por igual. Por ejemplo, es posible alcanzar un incremento en la satisfacción del cliente entregando piezas de mayor calidad que funcionan mejor en uso y exhiben menos defectos. Esto puede reducir la incidencia de devoluciones de productos y los costos asociados con la garantía.

Modelando para el análisis por CAE
En los últimos años ha habido desarrollos significativos en el diseño asistido por computador (CAD) de modelos sólidos. Éste es ahora típico para la mayoría de las piezas moldeadas por inyección, que comienzan su vida como modelos en CAD de sólidos en 3D, debido a que el modelo sólido puede ser el patrón para el diseño de la pieza, el prototipaje rápido, el análisis para el ensamblaje, análisis de tolerancias, fabricación del molde, etc.

Sin embargo, la aparición del uso general de la tecnología de modelaje de sólidos en 3D ha impuesto un problema a aquellos que querían realizar simulaciones de CAE en plásticos. Históricamente, incluso los usuarios que tenían modelos de sólidos en 3D tuvieron que crear manualmente una malla de plano medio en elementos finitos antes de que pudieran realizar un análisis. Ésta era muy a menudo una tarea de alto consumo de tiempo e improductiva, que podía añadir costos y tiempo significativos para hacer un sólo análisis. Para solucionar el problema, la Corporación Moldflow desarrolló tres tecnologías distintas:

Generación automática de planos medios
Este es un método en el cual un modelo sólido se lee dentro de un programa, y se genera una malla automática de plano medio, compuesta de elementos de armazón (shell) que tienen asignado un atributo de espesor (Figura 1). La generación de planos medios automática ahorra una cantidad importante de tiempo en la preparación del modelo y permite más corridas para análisis. En muchos casos, sin embargo, es necesario realizar algún nivel de retoques sobre el modelo resultante antes de que esté listo para su análisis.

Análisis por Elementos Finitos por dominio dual (Dual Domain)
El análisis por elementos finitos por Dominio Dual es una tecnología patentada que permite realizar un análisis de CAE directamente en modelos sólidos. La tecnología usa un modelo de malla de superficie en un volumen encerrado de la geometría del sólido y, a través de un proceso propietario, resuelve el espesor de la pieza para las diferentes secciones de pared de ésta. La tecnología de dominio dual reduce significativamente el tiempo de preparación para el análisis del modelo y por lo tanto incrementa la productividad del usuario, porque permite una interfaz directa entre el CAD y el CAE. Desarrollos más avanzados apuntando hacia la preparación e interpretación de análisis de resultados permitieron que los programas CAE para plásticos sean usados en el ambiente de diseño por diseñadores de piezas, sin una destreza especial en elementos finitos o moldeo por inyección.

Debido a que el usuario objetivo es un no especialista, se dio especial atención a la interpretación de resultados. Mientras que los análisis tradicionales se basan por ejemplo, en las cifras reportadas de presión de inyección y distribución de temperatura del fundido, en el Dominio Dual se ha introducido nueva tecnología para la presentación de resultados.

Por ejemplo, para determinar el número correcto de puntos de inyección, el espesor óptimo de paredes o el tipo de polímero, la presión requerida para llenar la pieza se convierte en una variable crítica del proceso. Ésta se encuentra influenciada por la temperatura de fundido del material, la cual a su vez depende de las condiciones de procesamiento, localización y número de puntos de inyección, al igual que de la complejidad de la geometría de la pieza. La determinación de la presión requerida para rellenar es, por lo tanto, una tarea multidimensional que requiere interpretación simultánea de (por lo menos) las distribuciones de presión de inyección y de temperatura del fundido.

Para simplificar la interpretación de resultados, las distribuciones de presión y temperatura son procesadas para producir un único resultado llamado "Confianza de Llenado" (en inglés Confidence of Fill, COF). El resultado del COF usa una escala análoga a la de un semáforo, sobreponiendo los colores rojo, amarillo y verde sobre la geometría de la pieza en las áreas en las que hay baja, media y alta confianza de llenado, respectivamente. La  Figura 2 da un ejemplo de un resultado de COF.

La tecnología de Dominio Dual permite a los diseñadores de plásticos comenzar el análisis muy temprano en la fase de diseño. La información revelada además puede ser comunicada rápidamente a otros miembros del equipo de diseño a manufactura. Por ejemplo, los proveedores de material, diseñadores de moldes, y el fabricante del molde, pueden beneficiarse del conocimiento temprano de cómo se va a llenar la pieza. Para facilitar esto, todos los productos de simulación de Moldflow contienen generadores de reportes basados en web que pueden ser usados para crear y darle formato a un reporte basado en HTML automáticamente, lo cual puede ser enviado al correo electrónico de alguien o hacerlo disponible para revisión a través de Internet o una Intranet.

La tecnología de dominio dual no sólo provee los medios para llevar el análisis hacia el ambiente de diseño, sino que hay módulos avanzados de análisis basados en la tecnología de Dominio Dual también disponibles. Esto significa que los diseñadores que encuentran problemas más complejos pueden enviar sus modelos a analistas provistos de productos avanzados para el análisis detallado.

Análisis por elementos finitos de sólidos reales en 3D
Las tecnologías de plano medio por elementos finitos y de dominio dual están basadas fundamentalmente en la suposición de que la pieza plástica es de paredes delgadas, pero ¿Qué pasa cuando la pieza tiende a ser de naturaleza muy gruesa y sólida o tiene cambios de espesor extremos? 3D Solutions de Moldflow provee una solución usando un elemento sólido tetraédrico para la malla volumétrica.

Además de aumentar el rango de piezas que pueden ser simuladas, el programa también se interrelaciona bien con los paquetes de modelaje de sólidos por CAD. Una ventaja particular es que el modelo para análisis es una representación no ambigua de la geometría real de la pieza. Algunas veces es difícil obtener esto con técnicas de modelaje y análisis basadas en planos medios. Por ejemplo, el modelaje de la pieza mostrada en la  Figura 3 es relativamente sólido en naturaleza y contiene variaciones e intersecciones de espesor que son mejor representadas en 3D reales. Esta pieza sería virtualmente imposible de modelar y analizar de manera precisa sin las capacidades de modelaje y análisis de 3D verdadero.

La tecnología para el análisis por 3D también da bases fundamentales para simular otros procesos como el moldeo por inyección asistido por gas y el proceso de moldeo por coinyección.

Conclusión:
Implementar el CAE en plásticos beneficia todas las etapas del proceso de diseño a manufactura entregando la información necesaria para reducir los costos de diseño de la pieza, el molde y la producción de las herramientas, bajar el tiempo de puesta en mercado y mejorar la calidad de la pieza.

Desarrollos recientes en la tecnología del CAE han permitido lo siguiente:

•  Reducir significativamente el tiempo de preparación del modelo de análisis
• Incrementar el número de modelos únicos analizados
• Incrementar el número de usuarios potenciales de las herramientas de CAE para plásticos
• Mejorar el lazo entre los paquetes de CAD para modelaje de sólidos en 3D y el CAE para aplicaciones de plásticos
• Expandir la variedad de tipos de análisis que pueden ser llevados a cabo en piezas de geometrías variadas