Inyección asistida con agua para moldear piezas huecas más livianas

El moldeo por inyección asistido con agua es la forma más novedosa de moldear piezas huecas o parcialmente huecas. En su aspecto básico es similar al moldeo por inyección asistido con gas, pues genera también centros huecos en las secciones más gruesas de las piezas inyectadas. Pero la inyección con agua (WIT, del inglés water-injection technology), tiene una ventaja muy grande: produce el enfriamiento dentro de la pieza. La conductividad térmica del agua es 40 veces mayor que la del gas y la capacidad térmica del agua es cuatro veces mayor que la del gas. "Con la capacidad de enfriamiento del WIT, los tiempos de enfriamiento en los ciclos se pueden reducir a solamente el 25% de aquel que ocurre con la inyección con gas", dice Helmut Eckardt, director técnico de moldeo por inyección a baja presión en la sección de tecnología de moldeo por inyección de Battenfeld, Meinerzhagen, Alemania.

Pero el potencial para tener ciclos más cortos es solamente una parte de la historia. "Hay muchas razones por las cuales la tecnología es más atractiva", dice Friedrich Westphal, cabeza de la empresa Project Management Engineering, PME, un proveedor alemán de sistemas WIT. Afirma que si se aplica correctamente, los sistemas WIT generan paredes más delgadas y uniformes, lo cual ayuda a adicionar ahorros en materias primas. La habilidad del WIT para producir superficies más lisas en la parte interna de las piezas, característica que es muy difícil de obtener en el moldeo por inyección asistido con gas. Esto hace al moldeo asistido con agua mucho más competitivo frente al moldeo por soplado. Algunas fuentes consideran que el WIT puede producir espacios vacíos más grandes y en secciones más largas que lo que puede hacer el moldeo asistido con gas. A. Schulman de Alemania ayudó a producir un prototipo de carro para supermercados en PP, que contenía en su interior un canal de agua de 3 metros de largo.

El moldeo asistido con agua rompió en escena de una manera llamativa durante K 2001, Dusseldorf, Alemania. Las investigaciones de desarrollo ya llevaban un tiempo en las plantas de algunos proveedores europeos de maquinaria de inyección y por parte de fabricantes independientes de suministros para moldeo asistido con gas, compañías fabricantes de resinas y otras. El ímpetu para una gran parte de esta actividad fue un reporte publicado en 1998 a cerca de una investigación en WIT, en el Institut fur Kunststoffeverarbeitung, IKV, un centro de desarrollo en procesamiento de plásticos de Alemania. El IKV continúa trabajando activamente en desarrollos posteriores de este proceso.

El sistema WIT cuenta ya con un número limitado de aplicaciones comerciales en Alemania y varios proyectos se están desarrollando de manera activa. Pero debido a que el proceso WIT es tan nuevo, existe un número de cuestionamientos que requieren ser contestados. Los investigadores buscan definir una temperatura, presión y velocidad de flujo apropiadas, así como el efecto que tiene la solidificación de la resina con agua sobre la cristalización y las propiedades mecánicas de la parte moldeada.

También hay numerosas preguntas acerca del equipo: "la prensa de inyección y el método de procesamiento no han cambiado en todos los aspectos hasta que apareció la inyección asistida con agua", dice Jorge Dassow, director de aplicaciones tecnológicas en Ferromatik Milacron, de Alemania. "Otros aspectos se centran alrededor del diseño de los pines, válvula y características del molde. Todas éstas son razones por las que los conocedores del tema se apresuran a señalar lo que WIT no es una sustitución directa del moldeo asistido con gas.

¿Quién está involucrado?
Un número de proveedores de sistemas para moldeo por inyección asistido con gas ha modificado sus equipos para aplicar el WIT. En el momento, hay siete firmas que ya ofrecen WIT. Entre éstas, tres de sistemas de fabricantes de prensas: Aquamould, de Battenfeld, Watermelt, de Engel y AquaPress, de Ferromatik Milacron Europe. Fuentes independientes de equipos WIT son Alliance Gas Systems, Cinpres Gas Injection, Maximator de Alemania y Project Management Engineering, PME de Alemania. Un proveedor de materiales, Rhodia Engineering de Alemania, desarrolló su propio sistema WIT con el propósito de realizar pruebas con materiales, pero no tiene la intención de comercializarlo. Toda la investigación y desarrollo con WIT está ocurriendo en Europa en el momento, pero los proveedores esperan que la disminución en el tiempo de los ciclos atraiga la atención de usuarios en Norteamérica.

"El agua es un nicho de mercado en el momento y es importante, por lo tanto, que no se hagan muchas promesas al respecto, por lo pronto", afirma de manera cautelosa Oliver Phannschimidt, director del departamento de moldeo por inyección del IKV. Recuerda que cuando arribó la tecnología de moldeo asistido con gas, tuvo un periodo de incubación difícil para los procesadores, quienes contaron con una asistencia técnica reducida cuando trataron de expandir la tecnología a nuevas áreas del moldeo.

¿Por qué el agua funciona?
La diferencia principal entre el agua y el gas es que éste último es compresible, mientras que el agua no. Cuando se inyecta en la resina fundida, el frente de flujo del agua forma una frontera sólida o una membrana altamente viscosa. La membrana fuerza a la resina fundida hacia delante, en lugar de que el polímero fuerce el agua hacia los lados. La razón primaria para esta acción es la mayor viscosidad y la incompresibilidad del agua cuando se compara con el gas. Este frente viscoso actúa como un pistón de empuje que forma el hueco de la parte. El frente también sirve para enfriar el material fundido en la medida en que es empujado dentro de la cavidad del molde por el agua presurizada. "El moldeado asistido con gas opera a una presión de 300 a 2500 psi, mientras que la asistencia con agua se realiza en un rango hasta 4350 psi", explica Kai Jacobsen, director de ventas de maquinaria y tecnología en Engel.

"El gas puede migrar y disolverse en el polímero. El agua es una historia diferente", anota Jacobsen. Si el gas permea en el polímero, puede hacer que la superficie interna de la pieza adquiera un acabado más rugoso cuando el gas salga nuevamente del material por difusión. Sin embargo, Steven van Hoeck, vicepresidente de ventas para Alliance Gas Systems, cree que la rugosidad en la superficie interna puede deberse al exceso de presión del gas o porque el tiempo de residencia del gas dentro de la pieza es muy largo, lo que causa que el gas actúe como un agente espumante.

Los proveedores están de acuerdo con varias otras diferencias que existen entre la inyección asistida con gas y la nueva asistida con agua. El gas, a diferencia del agua, puede subdividirse en pequeñas corrientes de flujo dentro de la pieza que se inyecta, creando un efecto de dedos indeseable. El comportamiento del gas es impredecible y el espesor de las paredes es difícil de controlar. El agua, por el contrario, logra paredes de espesor uniforme y consistente. Y como ya se ha mencionado, el gas no es efectivo para lograr el enfriamiento de la pieza. Hay, sin embargo, una tecnología asistida por gas, denominada KoolGas, de la Universidad de Warwick, en Inglaterra, que puede crear un efecto de enfriamiento, enfriando el gas a temperatura criogénicas (-292ºF) y circularlo a través de la pieza a altas velocidades, de hasta 75 litros por minuto.

Para reducir el encogimiento y el hundimiento de las superficies, los moldes pueden ser pre-presurizados con gas antes de introducir la resina fundida o el gas puede ser inyectado entre el lado no expuesto a la vista y el molde. El agua, sin embargo, tiene a deformar el acabado de la superficie y no puede ser usada para este propósito.

"En términos generales, no vemos que exista competencia entre los métodos de asistencia con gas y con agua", dice Mark Paddock, vicepresidente y director general de Cinpress Gas Injection. "Las partes más gruesas y con las secciones más largas pueden ser buenas candidatas para la asistencia con agua".

Los procesadores que quieran aplicar el sistema WIT a moldes grandes con multicavidades tienen que ser cuidadosos, advierten los proveedores. Recomiendan aplicar el sistema a moldes de cuatro a seis cavidades. "Los moldeadores no deberían pensar en transformar moldes de 12 ó 16 cavidades, porque el control del proceso se dificulta bastante", explica Jacobsen de Engel.

Listos para actuar
Varias compañías esperan que las primeras en aplicar el sistema WIT sean los moldeadores que ya usan la asistencia con gas que busquen hacer uso del potencial para reducir los tiempos de los ciclos. Las partes tubulares, las líneas de combustible y otros sistemas de fluidos para automotores, las manijas, los bastidores para techos, biseles, guardachoques, embragues y los soportes de la columna del volante son algunas de las áreas donde los proveedores esperan que la tecnología va a ser aplicada inicialmente. Otros productos que se consideran son los caminadores para bebé, cabos para implementos de cocina, muebles de oficina, palas, listones y uniones en general.

Thilo Stier, director general de A. Schulman, dice que la primera aplicación comercial del WIT se hizo para fabricar un carro de supermercado totalmente en plástico, por parte de la compañía Sulo GMBH, de Herford, Alemania. El proyecto comenzó en 1998. se usó PP de Schulman y la tecnología WIT de PME para moldear una parte que contenía tres canales de agua de 20 a 60 mm de diámetro y 800 a 1500 mm de largo. Esta parte había sido previamente moldeada por inyección asistida con gas en 280 segundos. La inyección con agua tomó solamente 68 segundos.

Jacobsen de Engel afirma que la manija de un sierra mecánica se fabricó con nylon reforzado con 30% de fibra de vidrio en 30 segundos cuando se empleó la tecnología WIT, mientras que si se usaba la asistencia con gas se empleaban 61 segundos. Ferromatik reporta haber usado PP para producir una pieza en una cavidad en 60 segundos si se hacía sólida, empleó 40 segundos usando la tecnología de asistencia con gas y 30 segundos con el sistema WIT.

El IKV fabricó una raqueta con dos materials usando el proceso Aquamould de Battenfeld. Este proceso comprendió la inyección de dos materiales y una tercera correspondiente al agua. El flujo de agua se subdivide en dos para abarcar el aro de la raqueta. La primera inyección moldea el mango y el marco con PP de Schulman reforzado con 20% de fibra de vidrio. La segunda inyección hace la red de PP sin relleno. La tercera inyección introduce el agua en el marco. El agua soporta el marco hueco al tiempo que se realiza la segunda inyección, anota Eckardt de Battenfeld.

La tecnología de PME logró hacer centros en tuberías de 6 a 8 mm de diámetro en nylon reforzado con fibra de vidrio, gas y agua. La pared la tubería hecha con gas resultó ser dos a tres veces más gruesa que la obtenida con agua. "WIT reduce el espesor de las paredes a cerca de 2 mm en un ciclo más corto", afirma Westphal. "El sistema WIT demostró que puede aportar propiedades mecánicas mejoradas aunque se usa menos material", agrega.

Los primeros logros
La tecnología WIT ha logrado sus primeros logros. PME parecía liderar a los otros proveedores en el año 2001. PME tenía 12 sistemas operando comercialmente o en proceso de desarrollo. La firma recibió una orden de una compañía holandesa para producir 960.000 manijas para electrodomésticos y para convertir una manija de acero en una pieza plástica usando la tecnología WIT. Este último proyecto involucra la fabricación de 360.000 unidades. PME también está haciendo pruebas para BMW, para convertir un ducto automotriz que hoy se hace asistido con gas a Wit.

Rupprecht de Maximator afirma que la primera aplicación del sistema de asistencia con agua será considerada en el corto plazo. "Pero primero intentaremos con gas", explica. Alliance tiene ocho a 10 candidatos. "Estamos seleccionando solamente dos o tres casos de aplicación para continuar la valoración del sistema WIT, y el resto de productos continuará por lo pronto con la asistencia del gas", dice van Hoeck. Alliance ha realizado pruebas con WIT para hacer botes pequeños. La parte tiene 2 pies de ancho e interiores de gran masa que son convertidas en secciones huecas con la asistencia del gas. Pero el gas genera un espesor de pared de 1 pulgada. "Con agua se reduce considerablemente el espesor de pared y reduce el tiempo del ciclo en 2 minutos", dice van Hoeck.

Battenfeld cuenta con cerca de 10 proyectos para aplicar su tecnología Aquamould y Engel tiene de 8 a 10 proyectos en desarrollo. Cinpres y su socio Factor tienen cinco proyectos cerca de comercialización. Todos son productos tubulares para la industria automotriz. Cada uno de ellos está siendo evaluado con gas y con agua.

Cuatro modos de operación.
El sistema WIT puede ser empleado en uno de cuatro modos de procesamiento. Las secuencias, similares a las variaciones de procesamiento vistas ya en las tecnologías asistidas con gas, varían por el llenado del polímero, la introducción del agua y la evacuación del agua por gravedad o por aire forzado.

Inyección corta: también llamada proceso de burbuja o soplado, se ejecuta llenando parcialmente la cavidad del molde con resina fundida. El agua es inyectada en el molde antes de terminar la introducción de la resina fundida, para empujar el material hasta el final de la cavidad y realizar la compresión final del ciclo. Unas válvulas cierran el paso de la resina desde la unidad de inyección y el agua desde un inyector. Una válvula de alivio para el agua se abre permitiendo el drenaje de la parte. Una válvula montada cerca del final del llenado facilita la salida del agua usando aire comprimido.

Se considera que este método es apropiado para moldear piezas con secciones muy gruesas. No desperdicia material y no genera remolidos. Los puntos de entrada y salida del agua (y aire) pueden ser uno mismo o estar colocados cercanamente. Las desventajas tienen que ver con las demandas en las tolerancias del control. Si se ha inyectado poco material, el agua puede reventar el frente de flujo dentro de la cavidad. La presión del agua tiene que ser mayor que la presión de la resina fundida para empujarla hasta el final del llenado. El punto de permutación de la inyección de la resina a la inyección del agua puede causar marcar en la superficie de la parte, porque posiblemente no se pueda lograr acabados clase A en la superficie. También, el material al final de una inyección corta puede formar una sección más gruesa que puede alargar el tiempo del ciclo.

Modo de empuje: la resina fundida llena completamente la cavidad. Abriendo un inyector de agua localizado al final de la carrera de la resina empuja el exceso de fundido hacia atrás a una cabeza vacía en la unidad de inyección. Las ventajas de este modo incluyen la ausencia de desperdicios y la habilidad de lograr acabados clase A. En cuanto a las desventajas, se requiere usar un inyector especial y un anillo antiretorno para acomodar el material que regresa a la unidad de inyección. Los usuarios deben tener cuidado para no permitir que el agua penetre en la unidad de inyección, lo cual puede afectar más a materiales higroscópicos como el nylon. Cada etapa del proceso debe ser controlada con respecto a la presión para poder devolver una cantidad de material conocida y consistente a la unidad de inyección. El material que retorna puede tener una presión y temperatura diferente a la de la resina en la unidad de inyección, creando variables de proceso que pueden afectar la siguiente inyección. El sistema puede requerir un modo para separar el agua y el aire introducidos en el molde.

Sobre flujo: la cavidad del molde se llena completamente y se cierra por medio de una válvula. Una boquilla aparte introduce entonces el agua de inyección al tiempo que una válvula al final de la cavidad abre un camino hacia una cavidad secundaria que recibe el sobre flujo de resina. El agua que entra desplaza la resina fundida, la cual es empujada en la cavidad secundaria. La válvula secundaria se cierra para la etapa de sobrepresión. El agua puede ser expelida por gravedad o evaporación.

Esta forma de operación proporciona una superficie de clase A, también, es lo más cercano al moldeo convencional, ofreciendo una ventana de operación amplia. También, requiere una presión menor de agua comparada con el modo de inyección corta. En las operaciones de terminación, el material desplazado para formar el centro de la pieza debe ser reciclado. El corte secundario debe ser terminado para tener el producto acabado.

Proceso de flujo: es una combinación del método de inyección corta y de los de sobreflujo, ya que el agua fluye a través de la parte para mejorar el enfriamiento. La cavidad del molde se llena parcialmente, luego se introduce el agua que empuja la resina fundida y sale a través de la válvula hacia el circuito de recirculación del agua. Entre las ventajas se cuentan el ahorro de material y las velocidades superiores de enfriamiento. Las desventajas consisten en la formación de un desperfecto en la punta de la pieza. También, la baja presión puede hacer que el agua se filtre entre la superficie interna del molde y la superficie visible de la pieza. Un factor común en los procesos WIT es la necesidad de purgar el agua. La gravedad trabaja en algunos casos, pero algunos proveedores apoyan la operación en secuencia con asistencia de gas. Alliance puede suministrar sistemas asistidos con gas con una etapa de inyección secundaria de agua, seguido luego de una etapa de purgado con gas. Los proveedores hacen énfasis en el hecho de que todo el proceso de inyección y evacuación del agua toma solamente unos pocos segundos.

Ensayos de materiales
La prueba y el desarrollo de materials para WIT ha sido conducido en Europa por las compañías de resinas como BASF, BAYER, DuPont, Rhodia y A. Schulman. Los primeros candidatos para llegar a las aplicaciones comerciales han sido el nylon 66 y el PP. También se han probado el policarbonato, ABS, PC/ABS, HIPS, PBT, acetal y copoliésteres de TPE.

DuPont, por ejemplo, reportó resultados prometedores para aplicación en sistemas WIT con su nylon 66 Zytel EFE73-92 relleno con 30% de fibra de vidrio, en la fabricación de un conducto de enfriamiento de una pulgada de diámetro para BMW. "Esta parte actualmente se hace con la asistencia de gas en 60 segundos, pero en las pruebas se ensayó el mismo material en el mismo molde con WIT en 35 segundos", dice Bender. DuPont también ha revisado otros termoplásticos como su poliéster TPE Hytrel. "Creemos que WIT puede ser usado con nuestra línea de resinas, incluyendo los acetales y PBT. "Hemos venido trabajando con la tecnología WIT cerca de un año y medio. Espero ver las aplicaciones comerciales en la industria automotriz hacia el próximo año". ". adiciona Bender

Algunas fuentes industriales se preguntan si la tecnología WIT puede congelar rápidamente las resinas semicristalinas hasta el punto de cambiar la estructura cristalina y, por lo tanto, el desempeño de las piezas. La información recogida hasta el momento de los proveedores de materiales no indica que existan cambios perceptibles en la estructura microcristalina de los materiales. Por otro lado, otros efectos macroscópicos pueden ocurrir. Los materiales cristalinos pueden acarrear problemas con WIT porque forman una piel tan pronto cuando se enfrían, dice Stier, de A. Schulman. Afirma que los materiales deben ser diseñados para cristalizarse más lentamente, para así desarrollar superficies más suaves en el interior de las piezas inyectadas y menores marcas superficiales en la parte visible. Desde 1998 Schulman ha lanzado seis aplicaciones WIT comerciales en las cuales se usan sus materiales de nylon, ABS y PP. Otros ocho proyectos están siendo desarrollados.

DuPont ha encontrado que el enfriamiento rápido de los nylon cristalinos puede causar el encogimiento de los vacíos internos de las paredes en las piezas inyectadas y que pueden comprometer las propiedades estructurales, de acuerdo con Klaus Bender, supervisor de proceso para DuPont Engineerint Polymers, en su centro técnico de Suiza. DuPont y Engel han trabajado con agua tibia para contrarrestar, pero usando agua hasta de 140ºF no afectó el desempeño de nylon, dice Bender. Este resultado parece indicar que la mejor solución para lograr una menor velocidad de cristalización es la modificación de los materiales. Este prototipo de nylon para ductos automotrices fue moldeado por Rhodia e indica cómo WIT puede producir un rango más amplio de secciones huecas con paredes internas que con la asistencia de gas. Los proveedores de resinas están evaluando grados nuevos para WIT.

Reproducido de Plastics Technology con autorización del editor