Fuerza de cierre o tonelaje: ¿es cierto que más es mejor?

Fuerza de cierre o tonelaje: ¿es cierto que más es mejor?

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Existen muchos factores claves que pueden determinar el éxito en un proceso de moldeo por inyección. Como fabricantes de moldes y productores de piezas plásticas, somos dependientes de la robustez del diseño del producto, de la calidad del material, y de qué tan bueno han sido el diseño y la fabricación de un molde. Una vez recibimos el plano de la pieza, el molde y el material, necesitamos enfocarnos en la configuración del proceso de inyección para producir millones de piezas de calidad para los clientes.

Determinando la capacidad de la máquina

Hay factores clave para determinar si la máquina tiene la capacidad requerida para moldear piezas de manera consistente. La unidad de inyección debe suministrar el volumen de disparo correcto para evitar degradación y solidificación. Otros temas importantes son tener suficiente capacidad de generación de presión y un flujo de materia prima alto, el suficiente para permitir el llenado apropiado de las cavidades.

Discutimos las variables regularmente, enfocándonos en lo importante que es procesar desde el “punto de vista del plástico”. Es importante secar el material para alcanzar el contenido de humedad apropiado, procesar dentro del rango de temperatura de fundido recomendado, seleccionar la correcta fluidez para inyección (índice de fluidez o MFI), aplicar magnitudes adecuadas de tiempo y presión en el empaquetamiento y refrigerar lo suficiente para mantener estabilidad dimensional. Sin embargo, estas variables solo se enfocan en la inyección del material durante el proceso.

La unidad de cierre es la responsable de proporcionar la fuerza necesaria para contrarrestar toda la presión aplicada desde la unidad de inyección. Todas las variables influencian el éxito del proceso de moldeo por inyección: tonelaje aplicado, localización de la fuerza, tipo de mecanismo de cierre y el tamaño del molde. Es por eso que determinar el tonelaje o fuerza de cierre correcta no es una tarea simple. Debe proporcionarse un soporte que debe ser como una roca sólida para evitar rebabas y daños. ¿Es posible aplicar fuerza de cierre en magnitud excesiva, reduciendo la ventana de proceso incluso antes de que el material fundido sea inyectado?

En los próximos ejemplos usaremos una estrategia de proceso llamada Moldeo Desacoplado II. Durante el proceso de Moldeo Desacoplado II, el llenado de la cavidad se separa de la fase de empaquetamiento o sostenimiento. En el llenado deberíamos obtener una pieza que está llena al 95% o 98%, resultando en una presión cero al final de la cavidad del molde. A medida que la máquina transfiere la velocidad hacia el control de presión para la fase de sostenimiento, la cavidad se llena totalmente.

Luego se sigue empaquetando material en la cavidad para minimizar marcas de rechupe y reducir la variación dimensional. Dentro de la cavidad se incrementa la presión, por lo tanto la unidad de cierre debe suministrar suficiente fuerza para contrarrestar la presión aplicada en la cavidad.


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Determinando la fuerza de cierre

El punto de partida para determinar la fuerza de cierre apropiada es calcular el área proyectada de una pieza individual. Una vez se obtiene toda el área superficial, se debe multiplicar por el número de cavidades en el molde. Si el molde tiene canal frio, se debe sumar también el área proyectada de éste.

Cuando se completan estas etapas, se debe contemplar el área proyectada total de todas las partes incluyendo el canal de alimentación si es frío. Esta área total debe ser multiplicada por un factor de tonelaje, que se encuentra en algunas hojas técnicas de la resina. Este factor se encuentra en el rango entre 2 y 10 tons/in2, pero para empezar se recomienda el factor de 3 tons/in2.

Como ejemplo, se propone el moldeo de una tapa de recipiente plástico (figura 1) con canal caliente y 8 cavidades.

**B2BIMGEMB**1**

Con esta memoria de cálculos tenemos la base para determinar qué fuerza de cierre es correcta para este molde. Existen otros factores que también deben incluirse para determinar si el tonelaje requerido está por encima o por debajo de 3 tons/in2:

  • Índice de fluidez - Melt Flow Index/Rate (MFI/MFR).
  • Longitud de flujo.
  • Espesor de pared.
  • Ubicación del punto de inyección
  • Tamaño del punto de inyección
  • Cantidad de puntos de inyección
  • Volumen de la resina.
  • Melt Flow Index/Rate

    El primer ítem que necesita ser considerado posterior al cálculo del tonelaje con base al área proyectada, es la fluidez del material. El Melt Flow Index (MFI) o Melt Flow Rate (MFR) se encuentra en la hoja técnica del material. Un material con alto MFI o MFR requiere menos presión de la unidad de inyección para completar la fase de empaquetamiento, así como también una fuerza de cierre menor.

    Cuando se está evaluado el MFI o el MFR es indispensable que las comparaciones sólo se realicen entre grados de resina del mismo tipo. La razón es que la prueba ASTM tiene para cada tipo de resina diferente temperatura, tamaño del punto de inyección y peso. Estos valores no están correlacionados directamente con el moldeo real debido a que las pruebas ASTM no se realizan en una máquina de moldeo por inyección real. Éste MFR o MFI se relaciona más con la fase de empaquetamiento, ya que allí se necesita menor tasa de flujo que en la fase de llenado.

    Revisando el ejemplo de la tapa, el material seleccionado fue PEBD. En escala cualitativa este material tiene una viscosidad muy baja, indicando que la presión requerida es también de un grado menor. Además, basados en la selección de material, el factor de tonelaje requerido será probablemente menor que el valor típico de 3 tons/in2.


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    Longitud de flujo y espesor de pared

    Ahora es necesario evaluar tanto la longitud de flujo como el espesor de pared. Para esto se realiza la llamada relación de aspecto, donde se comparan la longitud de flujo con el espesor de pared (desde el punto de inyección hasta el final del llenado).

    Hablando de orden de magnitud, una relación de aspecto de menos de 150:1 tiene riesgo bajo de rechupes, problemas de llenado o inestabilidad dimensional.

     

    En el ejemplo de la tapa, la longitud de flujo es 3.0 in y el espesor de pared 0.1 in

    **B2BIMGEMB**2**

    Con una muy baja relación de aspecto, la post-presión requerida va a ser baja, lo que a su vez reduce la demanda de fuerza de cierre demandada por el molde.

    Tamaño y número de puntos de inyección

    El área transversal y el número de puntos de inyección es otro parámetro importante. Entre mayor sea el área transversal del punto de inyección, menor va a ser la presión requerida por la unidad de inyección para las etapas de llenado y empaquetamiento. A su vez si hay un gran número de puntos de inyección (área transversal mayor), la presión requerida y la demanda de fuerza de cierre serán bajas también.

    Simulación

    En la actualidad, el mejor método para determinar la fuerza de cierre requerida es correr una simulación con la geometría correcta, el material caracterizado y todo el sistema de alimentación. Sin simulación, podemos sacar conclusiones de la evaluación geométrica de la pieza, selección del material, tamaño, ubicación y número de puntos de inyección. Basados en estos factores, el rango de tonelaje esperado para el ejemplo de la tapa estaría entre 339 y 508 toneladas (2 ó 3 tons/in2). Una buena primera aproximación sería el valor medio de este rango (420 tons).


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    Efectos de sobreestimación del tonelaje o fuerza de cierre

    Los principales defectos en moldeo por inyección que pueden observarse inmediatamente como rebabas, llenados incompletos y cambios en el brillo, no son consecuencias únicas de la aplicación de fuerza de cierre excesiva. Sin embargo existen efectos a largo plazo que deterioran el molde y la máquina. Para detectar esto se debe realizar una revisión exhaustiva en el molde en cuanto a:

    • Venteos deteriorados.
    • Línea de partición enrollada.
    • Insertos rotos.
    • Bloques o núcleos de cavidades agrietados.

    La figura 2 es un ejemplo de un molde que trabajó con 4 veces el tonelaje necesario. De acuerdo al área superficial, el molde requería aproximadamente 100 tons (con factor de 3 tons/in2). A pesar de tener un diseño robusto del molde, acero de calidad, buena manufactura y correcto tratamiento térmico, el resultado del excesivo tonelaje hizo que los bloques de las cavidades se partieran en dos. Cada parte se corrió una profundidad de aproximadamente 10 pulgadas de la línea de partición hacia la placa de cierre. Esta es una falla catastrófica que causó retrasos en producción y gastos adicionales de U$100.000 en manufactura de un nuevo bloque cavidad.

    Para la máquina de moldeo por inyección, se presentan este tipo de fallas potenciales cuando se ejerce un tonelaje excesivo en el molde:

    • Placas de montaje del cilindro hidráulico agrietado.
    • Placas deformadas.
    • Marco de la máquina fracturado.

    La figura 3 muestra varios factores que causaron rotura de las guías del marco para esta máquina de moldeo vertical. Primero, el molde requería cerca de 10 tons para mantenerse cerrado, pero el tonelaje configurado fue de 100 tons. Segundo, el tamaño base del molde cubría menos de 2/3 de la distancia de las placas en ambas direcciones. Combinando estas dos malas prácticas en años de trabajo, no sólo se fracturaron las guías de la máquina, sino que causaron defectos y posteriormente la falla del molde. Ninguno estaba seguro de que la falla hubiera ocurrido en la máquina, pero identificaron cuando se empezaron a presentar defectos y documentaron la progresión a través del tiempo. El reemplazo de las guías de la máquina, incluyendo horas de trabajo, desmontaje, montaje y la generación de residuos a través de los años, pudo haber excedido los USD 200.000.

    Conclusión

    Necesitamos asegurarnos de que vamos a tener suficiente fuerza de cierre para mantener el molde cerrado durante el proceso de inyección, aun cuando se produzcan los cambios de viscosidad en el material típicos del proceso. Sin embargo, no queremos aplicar una fuerza excesiva, para evitar defectos de moldeo, daños en el molde o daños en la máquina. Más no siempre es mejor, especialmente cuando se reduce la rentabilidad.

    Artículo proveniente de la revista impresa con el código TP3201fuerza-de-cierre


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