El diseño térmico de moldes de inyección

La especificación de canales de refrigeración en moldes de inyección es quizá una de las últimas tareas que se emprende al diseñar un molde. Una vez se ha definido la cavidad, y una vez se han especificado todos los requerimientos mecánicos, se revisa qué espacio "quedó" en el molde para diseñar el sistema de canales de refrigeración. El diseño de los canales de enfriamiento, la geometría, el caudal que debe circular son consideraciones que en general no tienen ningún fundamento real.

Normalmente cada empresa tiene unos estándares con los que trabaja para diseñar los canales, que se transporta de un molde al otro sin mayor análisis. Si bien esta práctica conservadora en general "funciona" (es decir, la pieza en algún momento se solidifica), lo cierto es que dista mucho de ser la mejor. Lo ideal sería analizar cuál es el diseño óptimo del circuito de refrigeración: a qué distancia debe encontrarse de la pieza, cuánto diámetro debe tener, a qué temperatura puede operar el medio utilizado.

La geometría de los canales de enfriamiento no es, sin embargo, el único de los factores a considerar cuando se desea especificar la refrigeración. Además del circuito por donde debe pasar el refrigerante, se debe escoger el medio refrigerante: ¿Agua?; ¿aceite?; ¿agua a presión?; ¿algún otro medio? Y un factor no menos importante, el metal que va a estar en contacto con la pieza. Un acero P20 tiene una conductividad térmica muy por debajo de la de una aleación cobre-berilio, y entre los diferentes grados de acero hay una amplia variación en conductividades. Así que hay varios factores que permiten jugar para reducir tiempos de ciclo y elevar la calidad de las piezas moldeadas.

Análisis térmico basado en computador

Existe hoy en día una poderosa herramienta de análisis computacional, que permite simular el comportamiento térmico de los moldes de inyección. Se trata del Software SIGMASOFT Virtual Molding, un paquete desarrollado por la empresa SIGMA Engineering GmbH, en Aachen, Alemania, desde hace 15 años, y que hereda su tecnología del proceso de fundición (más concretamente del Software MAGMASOFT, de Magma Gießereitechnologie GmbH, también de Aachen). Durante los últimos años, a través del trabajo conjunto con la casa matriz SIGMA Engineering GmbH, se ha trabajado en la asesoría de varios clientes en Alemania en el diseño térmico de sus moldes de inyección, jugando básicamente con tres variables: el diseño del circuito de refrigeración, la selección del medio refrigerante y el material utilizado en el molde.

El diseño térmico lo que hace es reproducir exactamente todos los detalles que hay en el molde: insertos, placas, canales de refrigeración, pieza plástica de uno o varios componentes, cada uno definido con sus propiedades termofísicas reales, y reproducir el funcionamiento del proceso de inyección a través de varios ciclos; de ahí su nombre "Virtual Molding", moldeo virtual. Como resultado puede verse la temperatura que hay en cada punto del molde durante cada momento del ciclo, y de forma correspondiente determinar el efecto que tiene cada variable térmica dentro del comportamiento general del ciclo.

Este tipo de análisis resulta útil para evaluar el impacto de diferentes decisiones que se tomen en el molde. Permite ver tanto el efecto sobre la pieza final, como el efecto en consumo energético. A continuación se presentan algunos ejemplos basados en prácticas reales.

Optimización del circuito de inyección

En una pieza termoplástica se estaba presentando un tiempo de ciclo más largo de lo que se tenía previsto, así como problemas de deformación por fuera de especificaciones. En el caso inicial, había un circuito de refrigeración como el mostrado en la Figura 1 Se evaluaron tres posibilidades (1b, 1c, 1d) de circuitos de refrigeración para la sección del domo, y se determinó el efecto de cada uno de estos circuitos en el tiempo de solidificación de la pieza.

En la Figura 2 se presentan los resultados del tiempo de solidificación de las piezas. Se magnifica la parte del domo, marcada en el recuadro rojo sobre la pieza original. Como se ve, los tiempos de solidificación se reducen de manera sustancial al agregar un circuito de refrigeración adicional en la parte del domo. La configuración 2b es la más económica de maquinar, y tiene impactos significativos en el tiempo de ciclo (la reducción es del 4,9%). El circuito de refrigeración en espiral redujo los tiempos de ciclo en 5,3%, pero por ser más complicada de manufacturar es posible que económicamente no sea viable.

Optimización del medio de refrigeración

Otra variable que se puede utilizar es el medio de atemperamiento. Típicamente se usan agua y aceite como medios de circulación dentro del molde. En este caso, para efectos de comparación se utilizó la configuración original mostrada en la Figura 1a, solo que en esta oportunidad no se simuló un material termoplástico sino uno termoestable. Este tipo de materiales reactivos requieren que el molde esté a una mayor temperatura que el material que fluye en la cavidad (al revés de lo que pasa en el moldeo de termoplásticos). En este caso se requería una temperatura de 180°C para tener un tiempo de ciclo de 60 s.

La simulación de la Figura 3a muestra el escenario cuando se usa aceite a 200°C. En la Figura 3b se muestra el efecto de emplear agua a 180°C como medio de atemperamiento. Se demuestra que el agua nos lleva a estar más cerca de la temperatura de molde deseada, y por tanto a reducir el tiempo de ciclo.

En la Tabla 1 se calculó el coeficiente global de transferencia de calor para el agua y el aceite con diferentes caudales, para la configuración de canales de refrigeración presentada. Para alcanzar la tasa de remoción de calor del agua, los canales de aceite deberían tener superficies cuatro veces mayores o bien debería usarse mucho más caudal, pero esto también conlleva a tener mayores pérdidas de presión.

Selección del material del molde

Otra variable con la que se puede jugar es el material del molde empleado. En otro caso de aplicación se buscaba fabricar una pieza termoplástica con una temperatura de pared de molde de 80°C. Sin embargo, debido a su complejidad y a que había zonas de flujo intrincadas donde era difícil hacer llegar el refrigerante, en el molde se estaban presentando algunas zonas con altas concentraciones de calor ("hot spots"), que elevaban el tiempo de ciclo y comprometían la estabilidad dimensional de la pieza moldeada.

Se propuso reemplazar el acero original de la cavidad, que tenía una conductividad térmica de 45 W/m2K, por un acero rápido de trabajo en caliente, con una conductividad de 60 W/m2K. En este caso se lograron reducir las temperaturas de las zonas calientes en el molde, como se muestra en la Figura 4 , y se redujo en 20% el tiempo de ciclo, sin tener que modificar el diseño del molde o las zonas de refrigeración.

Conclusión

Al diseñar el sistema térmico de un molde hay varias cartas con las que se puede jugar. Es posible hacer cambios pequeños en la configuración de la refrigeración, o incluso modificar el medio o las condiciones de proceso para ahorrar tiempo de ciclo. Hoy en día la herramienta de análisis SIGMASOFT Virtual Molding permite tener una visión global de cómo interactúan térmicamente los diferentes elementos dentro de un molde.

Agradecimiento:

La autora agradece el aporte de los ingenieros Manuel Schmellenkampy y Tobias Mansfeld de SIGMA Engineering GmbH por su contribución a este artículo.

 

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