¿Por qué inyectar con tecnología híbrida?

El negocio de moldeo por inyección de plásticos ha sufrido una transformación en años recientes. La consolidación de grandes clientes y proveedores ha generado un incremento en términos de competencia de precios e introducción de nuevas tecnologías. Los retos que impone la globalización, y la necesidad de ser más eficientes energética y ambientalmente, están cambiando la forma en que los moldeadores por inyección diseñan, fabrican y comercializan sus productos. El moldeo por inyección híbrida representa una de estas nuevas formas de manufactura, y busca la optimización de los beneficios que diferentes tipos de tecnología le puedan aportar a la producción de artículos plásticos.

Inventada en Norte América en 1872, la máquina de moldeo por inyección posee una historia de más de 130 años. Sin embargo, las máquinas que hacen uso de un tornillo extrusor reciprocante para la plastificación e inyección sólo fueron desarrolladas y adoptadas en los últimos 50 años. Entre los desarrollos más recientes e importantes se encuentra la aparición de las máquinas totalmente eléctricas, como alternativa a las tradicionales máquinas basadas en mecanismos hidráulicos. Las unidades totalmente eléctricas garantizan menores consumos energéticos y una producción más limpia, precisa y silenciosa. En 1966, Battenfeld introdujo en Alemania la primera máquina de moldeo con mecanismos eléctricos; sin embargo, no fue sino hasta 1994 cuando firmas japonesas como Fanuc o Nissei, con sus técnicas de control basadas en servomotores, comenzaron a comercializarlas vigorosamente, haciendo de ellas un tópico de gran interés. El desarrollo de maquinaria totalmente eléctrica comenzó a ganar importancia entre los fabricantes y su posición se ha fortalecido en las grandes ferias de la industria del plástico.

En los últimos años se ha desarrollado el concepto de moldeo por inyección con maquinaria híbrida, la cual combina eficientemente las ventajas ofrecidas por las tecnologías hidráulica y eléctrica. Las grandes firmas europeas, americanas y asiáticas han realizado esfuerzos en investigación y desarrollo para diseñar y fabricar maquinaria híbrida, ganando gradualmente la atención de los mercados, e incrementando su presencia en diferentes campos de la producción. Este artículo explica los últimos desarrollos y hace énfasis en las ventajas que provee este tipo de sistemas, al compararse con las tecnologías puramente hidráulicas o eléctricas.

A continuación se hace una descripción de cada enfoque, junto con sus ventajas y desventajas.

Inyección totalmente hidráulica
La inyección con tecnología totalmente hidráulica es la que usan los equipos tradicionales, los cuales están constituidos por dos componentes principales: la unidad de inyección, que se encarga de fundir y homogenizar el polímero, para luego inyectarlo en la cavidad del molde; ambas funciones son realizadas por un tornillo reciprocante conectado a un motor hidráulico. La unidad de sujeción o cierre, tiene que ver con la operación del molde y sus funciones incluyen la de mantener alineadas las mitades del molde, realizar su apertura y cierre, y asegurar una presión de cierre adecuada durante el proceso de inyección.

La unidad de cierre básica consta de una placa fija, una placa móvil y un mecanismo para accionar esta última. El mecanismo es una prensa de potencia operada por un pistón hidráulico o por dispositivos mecánicos articulados. El cierre articulado (toggle clamp), se basa en un actuador que empuja una serie de eslabones unidos a través de rótulas, y éstos a su vez mueven la placa móvil a la posición de cerrado. Al principio del movimiento la potencia mecánica es baja y la velocidad alta, cerca del final de la corrida la situación se invierte, proporcionando alta velocidad y alta fuerza en diferentes puntos del ciclo. En las máquinas totalmente hidráulicas, estos sujetadores articulados se accionan mediante cilindros hidráulicos. El cierre hidráulico se usa en máquinas de más alto tonelaje y representa mayor flexibilidad, ya que hace posible fijar la fuerza en determinadas posiciones durante la corrida. Los cierres hidromecánicos se diseñan para grandes tonelajes, usualmente de mas de 1,000 ton y operan mediante la utilización de cilindros hidráulicos para mover rápidamente el molde hacia la posición de cerrado; el cierre se ajusta por medios mecánicos y nuevamente se usan cilindros hidráulicos de alta presión el desarrollo de la fuerza de cierre final.

Ventajas
Los sistemas hidráulicos son económicos, fáciles de diseñar y operar, poseen mecanismos simples, ofrecen altas capacidades de empuje y torque, permiten una aplicación bien distribuida de la presión al molde y proveen los picos de presión transitoria necesarios mediante acumuladores integrados.

Desventajas 
Las desventajas incluyen un alto consumo energético, la necesidad de mantenimiento para prevenir derrames de aceite y una precisión de movimientos relativamente baja.

Inyección totalmente eléctrica
Las máquinas de moldeo por inyección totalmente eléctricas no son muy diferentes a las máquinas tradicionales de inyección hidráulica en cuanto a funcionalidad, forma y procesos. La diferencia radica en el tipo de mecanismos utilizados para la movilidad de las diferentes piezas dentro de la máquina. La tecnología eléctrica hace uso de servomotores AC, tornillos de bola, engranajes y correas sincrónicas, los cuales sustituyen los elementos hidráulicos originales como motores y bombas, válvulas direccionales y cilindros. Las máquinas poseen servo motores y el cierre de la prensa se asegura mediante sistemas de sujeción articulados. Los actuadores eléctricos, debido a la inclusión de control en lazo cerrado, proporcionan una aceleración y desaceleración más altas en las operaciones de apertura y cierre de moldes y una mayor exactitud en el posicionamiento.

Ventajas
Los mecanismos eléctricos evitan los problemas de derrame y posible contaminación, inherentes al aceite utilizado como fluido hidráulico en las máquinas de inyección tradicionales. Poseen una operación más silenciosa, y reducen el consumo de potencia eléctrica hasta en un 50% comparando con unidades hidráulicas del mismo tamaño. Lo anterior se logra gracias a la eficiencia intrínseca de los actuadores eléctricos, en donde la transformación de energía eléctrica a mecánica es directa, a diferencia de los sistemas hidráulicos que requieren una doble transformación de potencia eléctrica a hidráulica y posteriormente de hidráulica a mecánica. Además, estos mecanismos logran una mejor precisión de movimientos, una alta reproducibilidad de los mismos y mayores velocidades de inyección, al compararse con la maquinaria tradicional (hidráulica).

Desventajas
A pesar de las ventajas en ahorro de energía, precisión, y producción limpia y silenciosa, los equipos totalmente eléctricos incluyen ciertas desventajas que deben ser mejoradas. Entre los problemas se encuentran el alto costo, la durabilidad de algunas partes como los tornillos de bola (tienden a desgastarse fácilmente), la dificultad en desarrollar fuerzas de cierre altas y en crear presiones transitorias de alto nivel cuando se tiene un suministro de potencia inestable. Los altos costos de manufactura representan la principal razón para que los sistemas totalmente eléctricos no hayan reemplazado totalmente a los de tipo hidráulico.

Las ventajas de las unidades totalmente eléctricas no se acoplan a todos los productos plásticos; los ahorros de energía y las características de baja contaminación son más aplicables a productos especiales como conectores eléctricos, productos estériles, y aplicaciones de precisión y micromoldeo. Los altos costos actuales hacen que este tipo de maquinaria no sea aplicable en ciertos segmentos de mercado.

Inyección Híbrida
Como su nombre lo dice, una máquina híbrida combina mecanismos hidráulicos y eléctricos dentro de una máquina de moldeo por inyección, tratando de aprovechar las ventajas que ofrece cada tecnología. Los equipos híbridos otorgan el posicionamiento preciso y ahorro de energía de los equipos totalmente eléctricos, manteniendo el alto empuje de los mecanismos hidráulicos. En otras palabras, la unidad híbrida, con menor costo que una totalmente eléctrica, es capaz de mejorar el consumo de energía, los problemas de precisión de las unidades hidráulicas convencionales, y adicionalmente reduce los niveles de contaminación y ruido.

Normalmente una máquina de moldeo por inyección posee seis ejes móviles importantes:
1- Inyección
2- Alimentación
3- Movimiento adelante / atrás
4- Movimiento cierre / apertura del molde
5- Ajuste del molde
6- Eyección de la pieza

La mayoría de las unidades híbridas mantienen el movimiento adelante / atrás y la eyección de las piezas mediante mecanismos hidráulicos, realizando la inyección, la alimentación, el cierre / apertura y ajuste del molde mediante actuadores eléctricos.

Para diseñar una máquina híbrida, la decisión de cuales partes se mantienen hidráulicas y cuáles se reemplazan por mecanismos eléctricos depende de los requerimientos específicos de los productos a fabricar, de las funciones de moldeo y del costo de manufactura del equipo. Por ejemplo, si se necesitan altas velocidades de inyección, se requiere controlar esta acción mediante un mecanismo hidráulico que incluya un acumulador y control en lazo cerrado para obtener las altas presiones transitorias requeridas. El propósito de los fabricantes es encontrar un balance óptimo entre desempeño de la máquina, calidad de los productos fabricados y costo total.

La mayoría de los sistemas híbridos se basa en unidades de dos placas con un mecanismo de cierre hidromecánico. Estos mecanismos se caracterizan por realizar un ajuste de la posición de la placa móvil, previamente a la aplicación de la fuerza de cierre mediante uno o más cilindros de carrera corta y bajo consumo de aceite.

Los sistemas de cierre articulados poseen desventajas como un ajuste del rango de carrera limitado, y riesgo de sobrecerrado del molde luego de su calentamiento y expansión. Son difíciles de usar en valores intermedios de fuerza de cierre y requieren de mayor tiempo para el ajuste del molde. Por otro lado poseen una dificultad adicional para mantener el paralelismo del molde si los eslabonamientos no trabajan o no se desgastan uniformemente. También existe un mayor potencial de deflexión de las placas, ya que los mecanismos articulados generan más fuerza en las esquinas de las placas que en su centro.

Los sistemas de cierre híbridos combinan los tiempos cortos de ciclo y la eficiencia energética de las unidades de cierre articuladas con la protección del cierre del molde y la buena distribución de fuerza de los sistemas hidráulicos. Por otro lado combinan la velocidad, precisión, exactitud, repetibilidad y ahorro energético de los servomotores eléctricos con la potencia, costo inicial reducido y familiaridad de los sistemas hidráulicos. De esta forma logran importantes ventajas sobre otros estilos tradicionales de unidades de cierre como eslabonamientos hidráulicos, sistemas totalmente hidráulicos, hidromecánicos y eslabonamientos totalmente eléctricos.

En general, los híbridos incorporan una bomba hidráulica para generar la presión de cierre en la prensa una vez el molde ha sido cerrado y asegurado electromecánicamente. Tanto la unidad de plastificación como los sistemas de inyección y eyección pueden ser totalmente eléctricos, logrando menores consumos de aceite y un rápido desarrollo de la presión de prensado.

La tecnología híbrida ahorra energía en la plastificación de la resina mediante actuadores eléctricos que mueven el tornillo extrusor, reduciendo el trabajo y la complejidad del actuador hidráulico (ya que no todos los movimientos de la máquina son simultáneos). Sin embargo, se sigue aprovechando la eficiencia de distribución de potencia desde el actuador hidráulico a través de varios ejes, y se evita tener que usar motores individuales para cada eje, como debe hacerse en las máquinas totalmente eléctricas. El mecanismo hidráulico también permite, mediante acumuladores, lograr las demandas pico de potencia de la inyección, ahorrando energía y costos. Además, la compresión en la prensa por medios hidráulicos garantiza mejor control, distribución más homogénea de la presión y una mejor protección del molde.

En los sistemas híbridos, se usa el control en lazo cerrado de los servo motores en el control de los sistemas hidráulicos, mejorando la repetibilidad, la precisión y la velocidad de los movimientos de la máquina. La hidráulica está totalmente encapsulada dentro de una de las placas, sin la necesidad de recirculación del aceite a un tanque central; por tanto los derrames son menos probables y se usan cantidades mínimas de aceite (que incluso llegan a ser del orden de 1 galón). Por otro lado los sistemas poseen baja inercia, permitiendo altas aceleraciones y desaceleraciones, y alcanzan precisiones del orden de 0.05mm. La tecnología híbrida reduce la longitud total de la máquina comparándola con los mecanismos articulados de la maquinaria totalmente eléctrica o con los dispositivos hidráulicos de dos placas.

Es necesario resaltar que estos sistemas permiten iniciar la inyección mientras la unidad de sujeción esta cerrándose, traslapando las funciones para ahorrar tiempo. Durante la fase de enfriamiento se puede descomprimir el tonelaje sin necesidad de abrir la unidad, minimizando el ciclo sin pérdidas de precisión. Dicha característica hace que este tipo de maquinaria se adapte a procesos de inyección-compresión, en donde se requiere que la inyección ocurra en un molde parcialmente abierto, para posteriormente realizar un ajuste total del cierre. Los procesos de inyección-compresión se utilizan principalmente en la manufactura de lentes ópticos y materiales termoestables.

Equipos disponibles 
Krauss-Maffei posee su línea híbrida Eltec, que maneja el rango de 55 a 165 toneladas. Estos modelos usan tornillos eléctricos integrados con barras de acople para manejar movimientos rápidos de cierre / apertura y un sistema hidromecánico para mantener el cierre. Una vez se llega a cierta posición, el sistema entrega aceite a cuatro cilindros de carrera corta, y de esta forma el cierre ocurre en las cuatro esquinas de la placa. El movimiento de los cilindros es de apenas 6mm y cada uno utiliza 1.5 litros de aceite. El sistema hidráulico es dominado por una servo bomba, mientras que los motores eléctricos manejan la plastificación, la inyección y la eyección.

El sistema sin correas de transmisión utiliza un servomotor AC para cada uno de los seis ejes de movimiento. Los movimientos de plastificación e inyección provienen de servomotores de acción directa (los cuales permiten lograr torques hasta 95% más altos) con tornillos de bola. El sistema hidráulico autocontenido, que provee la fuerza de cierre, también se maneja mediante un servo. Las unidades estándar de Eltec, según declara el fabricante, generan velocidades de inyección de 100 a 300 mm/sec.

Por su parte, Husky posee la línea Hylectric de máquinas híbridas en el rango de 130 a 1100 toneladas. La empresa afirma que con sus equipos se obtiene una productividad más alta, menores tiempos de ciclo, mayor vida del molde y mejor calidad de las piezas gracias a unos menores requerimientos de tonelaje, a su precisión disparo a disparo y a su área de moldeo más limpia y silenciosa.

Las unidades Hylectric poseen un diseño hidromecánico de la unidad de cierre que desacopla la carrera y el ajuste del cierre, y utilizan cilindros para optimizar la velocidad y la fuerza. Un acumulador provee eficientemente los requerimientos pico de aceite cuando se necesitan movimientos y cierres más rápidos. La placa móvil se mueve sobre rodamientos de baja fricción minimizando el tiempo de aceleración y la potencia requerida.

La firma Engel Machinery ofrece su serie Engel Victory, una máquina con sistema de cierre hidráulico y una unidad de inyección totalmente eléctrica que combina eficientemente las capacidades de servicio de la hidráulica con la precisión y reproducibilidad de posicionamiento de los actuadores eléctricos. El equipo se presta para aplicaciones de precisión y micro inyección, ofreciendo máquinas con fuerzas de cierre de 60 a 120 toneladas. El sistema de manejo hidráulico posee bombas de desplazamiento variable silenciosas, las cuales permiten la actuación de eyectores y núcleos durante los movimientos de apertura y cierre del molde.

La unidad de inyección totalmente eléctrica opera de forma independiente servomotores trifásicos para la rotación del tornillo (fundición de la resina) y el movimiento axial (inyección del fundido). Las mediciones exactas de posición aseguran precisión y reproducibilidad de todos los movimientos de la máquina. Lo anterior se combina con la medición exacta y el control en realimentación de las presiones de inyección y contrapresión, mediante la utilización de nuevos tipos de sensores del tipo diafragma; de esta forma, según afirma la empresa, han logrado obtener una gran estabilidad del proceso y mayor eficiencia de la máquina, y velocidades de inyección de hasta 300 mm/s.

Demag Plastics Group ha introducido nuevos tamaños para su serie de maquinaría híbrida El-Exis. La serie E de maquinaria estándar, posee modelos de 66 a 220 toneladas. La unidad de alta velocidad, asistida por acumulador hidráulico El-Exis S se expandió a ocho modelos con su unidad de 385 toneladas.

Una inusual máquina híbrida MuCell para moldeo microcelular de espumados plásticos, fue diseñada por la firma Japan Steel Works (JSW) con sede en Anaheim, California. La unidad posee tecnología hidráulica en sus sistemas de inyección y de cierre.

Otras empresas que ofrecen maquinaria con tecnología híbrida son Dima, Meiki America Corp., Sumitomo Plastics Machinery, UBE Machinery Inc., Battenfeld, Cincinnati Milacron, Mitsubishi-MHI y Wilgmington Machinery.

Perspectivas a futuro
Se ha podido observar un aumento en la presentación de equipos del tipo híbrido en las diferentes ferias especializadas de la industria plástica. Por ejemplo, el aumento de máquinas híbridas en la feria NPE 2003 con respecto a su versión del año 2000 fue de 15%, contra un 11% de las unidades totalmente eléctricas y una disminución de 27% de la maquinaria hidráulica. La revista alemana Plastic Magazine (Kunststoffe Plast Europe), reportó en su edición de diciembre de 2000 un pronóstico para el mercado global de máquinas de moldeo por inyección; en él afirma que en el año 2010 el mercado estará compartido por los tres segmentos, con una participación del 34% para los sistemas hidráulicos, un 28% para los sistemas totalmente eléctricos y un promisorio 38% para la tecnología híbrida. Las unidades hidráulicas y eléctricas seguirán teniendo una buena posición en los mercados, pero la versatilidad de los sistemas integrados, parece, dominará el mercado de manufactura de maquinaria de este tipo. Los clientes podrán seleccionar las unidades de acuerdo a las necesidades de su línea de producto y a los costos de inversión.

Los fabricantes de maquinaria de moldeo por inyección se encuentran desarrollando nuevos conceptos y tendencias tecnológicas dentro de los tres diferentes enfoques. Se espera que los tres compartan el mercado mediante porcentajes cercanos y por lo tanto, la importancia de la tecnología híbrida no se puede subestimar. En el futuro habrá más y más fabricantes que incorporen unidades híbridas dentro de sus líneas de producción, y ofrecerán una gran flexibilidad a los moldeadores por inyección en cuanto a selección de tipos y modelos. Y es que la simbiosis en la medida correcta entre las tecnologías hidráulica y eléctrica permite obtener las mejores cualidades, sortear las desventajas de cada enfoque, y generar maquinaria con relaciones costo / beneficio competitivas.