Inyección: En el camino hacia los automóviles plásticos

Los diversos actores del sector de la transformación plástica no han sido ajenos a ésta realidad y han respondido con ahínco al llamado de la industria automotriz. Los nuevos desarrollos y las innovaciones se observan en todos los frentes: unidades de inyección y automatización, procesos de inyección y nuevos materiales.En cualquier de ellos, sin embargo, el denominador común es el aumento de la eficiencia y la productividad. En el contexto del moldeo industrial por inyección, el aumento de la eficiencia se consigue a través de la reducción de los tiempos de ciclo, la optimización de los circuitos de intercambio de calor, la disminución de los espacios físicos requeridos para la operación de las máquinas, la optimización de las interfaces hombre-máquina, la reducción del número de piezas no conformes y la reducción de la materia prima desaprovechada en cada ciclo de inyección.

Parachoques, guardabarros, vigas de sección frontal, columnas estructurales tipo A-, B- y C-, ventanas panorámicas, laterales y traseras, lentes de difusión, faros traseros, reflectores, tableros interiores, consolas de instrumentación, tapas de altoparlantes, asaderas, apoya-brazos, tapas para airbag,  paneles de puerta, rejillas de ventilación, hebillas y tensores para cinturón de seguridad, carcasas para sistemas de bloqueo, conectores eléctricos, aros de sellado, fuelles, sellos de ventana, interruptores y botones en cabina, carriles de guía para ventanas, palancas de freno de mano, soportes para motores eléctricos, aspas de ventilación, deflectores de aire, enchufes eléctricos, conectores del sistema de conducción de combustible, aletas y válvulas del sistema de calefacción, cubiertas de motor, colectores de admisión, tuberías de succión, colectores de aceite, cabezales de entrada de agua, pedales de embrague, soportes guía para pedal, elementos de amortiguación y bases para bujías son tan sólo una pequeña muestra de las autopartes que hoy en día son producidas por inyección de materiales poliméricos.

En el caso de la maquinaria destinada a la producción de todas estas autopartes plásticas por inyección los nuevos desarrollos se concentran fundamentalmente en el incremento de la productividad. Los sistemas de inyección de Krauss Maffei, exhibidos en la feria Fakuma del año pasado, son una clara muestra de esta tendencia. Por ejemplo, las nuevas inyectoras hidráulicas de la serie CX tienen mayor volumen de  libre acceso bajo el molde y facilitan la incorporación de cintas de transporte o unidades de control de temperatura. Además con el uso de nuevos servo-controladores de bombeo y las camisas de aislamiento EcoPack, de los módulos de ahorro energético BluePower, se logra una reducción de hasta el 40% en el consumo energético de las unidades hidráulicas CX.  Asimismo con la integración de un sistema de monitoreo del flujo de agua en la unidad de control de temperatura se asegura una mayor estabilidad de la producción y una consecuente reducción en el número de partes defectuosas.

La fabricación de consolas de cabina con funciones electrónicas integradas representa un claro paradigma de eficiencia y automatización en unidades hidráulicas. Una etapa de producción de estas consolas se realiza a través del proceso de decoración en molde (in-mould decoration). En éste se emplea una inyectora CX 160-170 de doble platina adaptada a una unidad de automatización IR. Este conjunto, a su vez, se encuentra montadas sobre una plataforma de robotización. El gran espacio disponible en esta instalación permite la utilización de moldes voluminosos, usualmente requeridos para la obtención de superficies de alta calidad. Igualmente, los controles de la unidad robotizada han sido incorporados a la interfaz de control de la maquina inyectora, centralizando así la interfaz hombre-máquina, lo que también significa un incremento de la productividad.

Por supuesto, las máquinas de inyección eléctrica también son objeto de mejoramiento. De hecho, un importante aumento de la eficiencia energética de las inyectoras eléctricas de la serie AX se consigue a través de la integración de unidades robotizadas de desplazamiento y posicionamiento. En efecto, la implementaciónde un robot, que se adapte correctamente al modelo de inyectora AX, se traduce en una reducción de hasta el 25% del espacio físico requerido en comparación con unidades de automatización convencionales. Adicionalmente, con las nuevas unidades de control es posible establecer una conexión en línea con la red de expertos de KraussMafei, lo que reduce el tiempo de respuesta del soporte técnico especializado.

Por otro lado, las unidades de inyección eléctrica (hasta 4500kN de fuerza de cierre) parecen imponerse frente a las máquinas hidráulicas en el ámbito de las autopartes plásticas de precisión. Un ejemplo de ello es el proceso de conversión de las inyectoras en las plantas de fabricación de autopartes plásticas para Volkswagen. La implementación de las unidades de inyección de transmisión eléctrica IntElect de Sumitomo (SHI) Demag han logrado ahorrar hasta un 85% del consumo energético en comparación con las unidades hidráulicas relevadas. El bajo consumo energético de estasinyectoras eléctricas se basa en la incorporaciónde los nuevos sistemas de control de las unidades de plastificación, de inyección y de cierre. Asimismo, un sistema de transmisión 100% eléctrico disminuye considerablemente las pérdidas de calor con respecto a aquellas de un sistema de transmisión hidráulica. Esto significa una menor carga de enfriamiento y, por lo tanto, un ahorro energético. Las ventajas de las inyectoras eléctricas también se han visto reflejadas en la reducción delos tiempos de ciclo y la disminución en el consumo de material.

La sustentabilidad a largo plazo y la flexibilidad en los procesos de transformación por inyección plástica son también consignas asumidas por los fabricantes de maquinaria de inyección. En efecto, las máquinas de inyección eléctrica multi-propósito EC SX (hasta 4000kN de fuerza de cierre) de Toshiba Machine Co., son altamente versátiles pues se adaptan fácilmentea la inyección tanto de autopartes como de empaques y dispositivos médicos.

La dinámica de la industria automotriz no sólo demanda mayor productividad en los procesos de fabricación, sino que exige una constante adaptación a las nuevas tecnológicas y líneas de diseño. En efecto, los nuevos conceptos sobre la interacción conductor/automóvil han iniciado una completa restructuración de las autopartes plásticas al interior de la cabina. Por ejemplo, emulando las pantallas de comando táctil de los teléfonos celulares, los nuevos diseños de interfaces al interior del automóvil prescinden de los botones.

Estas propuestas de diseño, acompañadas de una factibilidad técnica comprobada, exige adaptaciones innovadoras de los procesos de inyección que intervienen en la fabricación de las partes plásticas en aquellos nuevos diseños.

Un claro modelo de re-concepción del proceso de inyección fue presentado el año pasado por Engel. Se trata de la fabricación de un tablero de mando pensado para los vehículos del futuro. Este tablero de mando es una superficie sensitiva al tacto como las que se utilizan hoy en día en los smartphones. El tipo de pantalla es de tipo capacitivo y su fabricación integra una etapa de inyección por etiquetado en molde (in-mouldlabelling). El proceso de fabricación se exhibió utilizando una máquina Engel duo 2050/350 que permite concentrar la potencia de dos unidades de gran escala en una cavidad de moldeo relativamente pequeña. De esta forma, el ensamble de inyección se puede utilizar en un bajo rango de fuerzas de cierre. Ver foto Engel

Por otra parte, Arburg también ha desarrollado nuevos procesos de fabricación de autopartes plásticas que se adaptan a la creciente demanda de piezas plásticas con peso reducido. Uno de ellos se trata del moldeo directo de fibras largas por inyección en el que se establece una alimentación continua de fibras y de fundido.

Esto permite la incorporación de fibras aún más largas que en los procesos convencionales y la consecuente obtención de piezas plásticas más livianas (menor espesor) y de alta resistencia mecánica. El sistema de inyección desarrollado en conjunto con SuddeutschesKunststoff-Zentrum (SKZ) permite controlar la longitud de fibra, así como la proporción volumétrica de la misma en el producto terminado.Otro ejemplo de los nuevos procesos de inyección desarrollado por Arburg, ésta vez en conjunto con Krallmann y RuchNovoplast, se denomina moldeo por inyección de compuestos con partícula espumada (PCIM, por sus siglas en inglés). En este proceso se combina por primera vez un componente espumado con un polímero durante el mismo ciclo de inyección. Al final del ciclo de inyección los dos componentes se encuentran ensamblados y no se requieren etapas adicionales de terminado. Este nuevo proceso de inyección ha tenido una gran acogida entre los fabricantes de autopartes con peso reducido, especialmente, aquellosdedicados al sector de electro-movilidad. Ver foto Arburg

La inyección de autopartes estructuralmente espumadas continúa siendo una vía explorada por la industria con el objetivo de reducir el peso de las piezas. El grupo de tecnología en moldeo por inyección Wittmann Battenfeld en colaboración con el fabricante de moldes Hasco recientemente presentaron casos exitosos de espumado estructurado (físico y químico) en piezas plásticas para el sector automotriz. Además del evidente beneficio de la reducción del peso, el espumado estructurado puede disminuir de forma considerable la aparición de esfuerzos residuales o de marcas de moldeo. Para lograr todas estas ventajas, el proceso de inyección de un espumado estructurado debe utilizar moldes con sistemas de control térmico conformacional (BFMold), que permiten la variación rápida de la temperatura en la superficie de la cavidad. Esta tecnología de molde permite, además, la obtención de una acabado superficial de alta calidad en comparación con las superficies conseguidas con los moldes tradicionales.Asimismo, las placas de aislamiento térmico de dichos moldesreducen considerablemente las pérdidasde calor por convección, disminuyendo así el consumo energético de los sistemas de alimentación de fundido y de control de temperatura del molde.

El futuro del moldeo por inyección en el sector automotriz no solo depende de la evolución de los equipos y procesos de inyección, sino también de la adaptación continua de los polímeros empleados.  Esta adaptación busca satisfacer, por una parte, los requerimientos técnico-económicos del mercado y, por otra, suplir las altas exigencias técnicas que imponen continuamente los procesos de inyección (mayores velocidades de inyección o mayores gradientes de temperatura por citar solo un par).

En este sentido, Arkema ofrece hoy en día un amplio portafolio de poliamidas de alto desempeño enfocadas al sector automotriz. Recientemente, Arkema introdujo la línea de poliamida 10 Hiprolon, destinadaa la fabricación de componentes para los sistemas de conducción de gasolina y diesel, así como para los sistemas de embrague y frenado. Por otra parte, Arkema también lanzó al mercado la línea de poliamida Rilsan HT, un termoplástico de alta resistencia térmica previsto para sustituir piezas metálicas o de elastómero en las tuberías del compartimiento del motor. Entre las aplicaciones exitosas de Rilsan HT bajo el capó se encuentran conductos de aceite, componentes del sistema de vacío o de recirculación de los gases de escape. Las piezas fabricadas con esta poliamida de alto desempeño resultan 2-3 veces más ligeras que aquellas fabricadas en aluminio o 5-6 veces más livianas que aquellas en acero.

En la misma línea de desarrollo, BASF recientemente logró incorporar la poliamida Ultramid Endure en la producción en serie del sistema de ventilación de varios motores turbo. Ultramid Endure exhibe una alta estabilidad frente al envejecimiento por temperatura; de hecho, este material está preconizado para aplicaciones automotrices con una temperatura de operación de 220°C y eventuales picos de calentamiento hasta 240°C.Por otra parte, gracias al soporte del equipo CAE de BASF, el rediseño de un colector de aire para motor, permitiría su fabricación en serie por inyección de Ultramid B3WG6. La optimización de las nervaduras de la sección central, que se abre en tres secciones y soporta el radiador metálico, garantiza el correcto desempeño mecánico de la pieza plástica y además representa una considerable reducción de peso.

Por su parte, la fabricación de piezas ópticas con la línea de policarbonato Makrolon de Bayer  permite una reducción de hasta el 50% en el peso comparado con las piezas tradicionales en vidrio. Tales piezas ópticas fabricadas en policarbonato a través procesos de inyección o de inyección-compresión tienen además costos de producción muy competitivos. Igualmente, nuevos desarrollos de la línea de policarbonato Makrolon permitirían aumentar la capacidad de aislamiento térmico en comparación con el vidrio tradicional, lo que disminuiría considerablemente las cargas energéticas asociadas con la calefacción interior. En otro ejemplo, algunas mezclas especiales de policarbonato BayBlend de Bayer con alta retardación a la propagación de la llama, son planeadas para la fabricación por inyección de los marcos estructurales para las baterías de Litio-ion.

Se trata de una clara apuesta por los sistemas de movilidad eléctrica, dónde las piezas plásticas por inyección tienen un papel fundamental. Finalmente, Bayer Material Science asegura que la proporción de plásticos en aplicaciones del sector automotriz debería pasar del actual 15% a, al menos, un 25% en el 2020. No se trata solo de reducción de peso, sino que la utilización de plásticos en la fabricación de los sistemas de conducción asistida, sensores, cámaras y productos para la protección del peatón es técnicamente muy favorable.