Reducción del grosor de las estructuras de película multicapa

Reducción del grosor de las estructuras de película multicapa

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En este artículo se demuestra cómo los modelos pueden ahorrar tiempo y costos al predecir el rendimiento de posibles estructuras de películas multicapa de grosor reducido. 

Compare casi cualquier película de embalaje de hace 40 años con una utilizada para el mismo producto hoy en día y notará muchas diferencias. Aunque los tipos de cambios dependen del embalaje específico, se han producido dos evoluciones en casi todas las aplicaciones: el calibre o grosor de la película ha disminuido y el número de capas ha aumentado. Paradójicamente, la incorporación de más capas en las películas de embalaje ha permitido una importante reducción del grosor.

En la actualidad, los dueños de marca están sometidos a una enorme presión para demostrar que sus embalajes son más sostenibles. En la mayoría de los casos, una película que utiliza menos material tiene menos impacto medioambiental. Si bien el impulso para reducir el grosor de las películas de embalaje fue impulsado históricamente por la reducción de costos, ahora está más vinculado a los requisitos de sostenibilidad. 

Sin embargo, la reducción del grosor puede ser un ultimátum muy difícil para los diseñadores de embalajes, ya que debe hacerse sin sacrificar las propiedades de las películas ni aumentar sus costos. La mayoría de los requisitos de rendimiento de la película, como la barrera, la rigidez, la resistencia a la tensión y la dureza, disminuyen a medida que se reduce el grosor de la película. A veces se pueden mantener estas propiedades críticas en una estructura de grosor reducido si se cambian cuidadosamente los materiales, las capas o las proporciones de las mezclas en la película, pero encontrar los materiales adecuados y colocarlos en las capas o mezclas correctas puede ser un proceso costoso y que requiere mucho tiempo.

Aunque no existen soluciones estándar que puedan aplicarse a todas las películas de grosor reducido, hay muchos polímeros nuevos de alto rendimiento que, si se utilizan de forma correcta, pueden mantener las propiedades. Al sustituir cuidadosamente una pequeña cantidad de un polímero de alto rendimiento en una película coextruida, también podemos mantener neutro el costo de la estructura. 

Encontrar el balance

Consideremos una película multicapa utilizada para embalar un producto de alimentos secos. El propietario de la marca solicitó una reducción del 10% del peso del embalaje. La estructura actual se muestra en la figura 1 y las propiedades de la película se muestran en la tabla 1.

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Aunque se trata de una estructura sencilla con pocas especificaciones, destacan los retos asociados a la reducción del grosor de la estructura. La simple reducción del calibre de la película de 3 mil a 2.7 mil se ajusta al objetivo de reducción de peso, pero la película de grosor más fino no cumplirá las especificaciones de barrera, resistencia al rasgado y rigidez a la flexión. Aumentar el volumen de polietileno de alta densidad (HDPE) en un 7 % en la estructura de grosor reducido aumentará la rigidez y la barrera, pero disminuirá aún más la resistencia al rasgado en la dirección de la máquina (MD). La sustitución de la capa de sellado de EVA y del componente de la mezcla de buteno de polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) por un octeno de LLDPE más resistente aumentarán la resistencia al rasgado MD, pero pueden afectar las propiedades de sellado.  

Este enfoque iterativo de sustitución de materiales requiere mucho tiempo y la ejecución de ensayos consecutivos con las películas es costosa. Como muestra el ejemplo de la tabla 2, la sustitución de materiales en capas específicas suele dar lugar a ventajas y desventajas: una de las propiedades se mejora mientras que otra se sacrifica.   


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Uso de modelos predictivos

Un enfoque más eficaz para el desarrollo de estructuras de película con grosor reducido es el uso de modelos predictivos. Un modelo preciso puede seleccionar rápidamente los materiales y las estructuras candidatas, lo que reduce el número de ensayos que hay que realizar. Utilizando el enfoque de modelado estándar, el diseñador introduce materiales específicos en las capas de una estructura de película coextruida o multicapa junto con parámetros importantes de la película, como el calibre de la película, la capa, las tasas de mezcla y los costos de los materiales. Una vez que se introduce la información, el modelo predice importantes propiedades de uso final a partir de las resinas de los componentes, y el usuario puede comparar los resultados de diferentes simulaciones de películas.

Las herramientas como la plataforma Bonfire de Nova Chemicals pueden ayudar a los diseñadores de películas a predecir rápidamente el impacto de los cambios de material o estructura en una película multicapa. Sin embargo, las opciones de resinas y las posibles combinaciones pueden parecer abrumadoras incluso para una estructura sencilla de tres capas. Aunque la ejecución de simulaciones de modelos y la comparación de los resultados es más eficaz que llevar a cabo ensayos de películas y pruebas de laboratorio, la mayoría de las simulaciones requieren todavía un tiempo y un esfuerzo considerables. Además, si se identifica una estructura que cumple todos los criterios, el diseñador podría no saber si es la mejor o la óptima.


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Un nuevo enfoque invierte el proceso de modelización estándar. Con el método Structure Optimizer, que se resume en la figura 2, el usuario introduce los objetivos de propiedades y costos de la película junto con las restricciones de producción o estructura. Con esta información, el modelo elige los mejores materiales y presenta una estructura de película optimizada.

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El Structure Optimizer utiliza el análisis de regresión para clasificar una base de datos de resinas y sus propiedades y, a continuación, coloca los mejores materiales en una configuración multicapa que satisface múltiples objetivos dentro de los parámetros y restricciones de la película. Puede programarse para maximizar o minimizar determinados objetivos y cumplir las especificaciones clave de rendimiento. Por ejemplo, minimizar el costo/área de la película, a la vez que se cumplen objetivos específicos de barrera, resistencia al rasgado, rigidez y otros rendimientos. Los parámetros de la película pueden incluir el número de capas coextruidas en la película, el número de componentes que se pueden mezclar en cada capa o las posibles proporciones de las capas que se pueden utilizar en cada película. Por ejemplo, el grosor de la capa central debe estar entre el 40 y el 60% del grosor total para cumplir con los tamaños de las extrusoras y las proporciones de los canales de las matrices de una determinada línea de película.

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Utilizando el ejemplo anterior de la película de embalaje de alimentos secos, el usuario introduciría primero los objetivos o las especificaciones de la película como rangos máximos y mínimos y junto con uno o dos objetivos generales como la minimización del costo de la película por área y la maximización de la rigidez a la flexión.

A continuación, el usuario indica los parámetros de la película, incluidos los calibres aceptables de la película (de 1 a 2.7 mil), el número de capas de la película coextruida (3) y las posibles proporciones de las capas que pueden utilizarse en cada proporción. También se pueden incluir restricciones específicas como, por ejemplo, garantizar que la capa interior sea un sellador y que la capa exterior sea un polímero resistente al calor. La tabla 3 resume estos objetivos de especificación, los parámetros de la película y las restricciones del modelo necesarias para realizar las simulaciones.

Una vez introducidos todos los objetivos, metas, parámetros y restricciones, el modelo proporciona una o varias estructuras optimizadas que cumplen todos los objetivos. En la figura 3 se muestra un ejemplo de estructura optimizada.

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En ciertas simulaciones, no se identificará ninguna estructura que cumpla todos los objetivos y criterios. Algunos objetivos de la película simplemente no pueden alcanzarse con los materiales existentes o la tecnología actual. En otros casos, el modelo puede devolver una estructura que no puede producirse o que es poco práctica; ciertas resinas son incompatibles y no deben mezclarse en la misma capa o extruirse en capas adyacentes sin una capa adhesiva intermedia. Siempre se recomienda que todas las estructuras y modelos sean revisados por expertos en películas antes de ejecutar las estructuras del modelo en una línea de película comercial o piloto.


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Por último, es muy importante verificar las predicciones del modelo con valores medidos empíricamente en películas reales. Aunque los modelos predictivos pueden ahorrar tiempo de filtrado, ningún modelo es perfecto y las propiedades de la película están influenciadas por algunos factores que aún no se pueden tener en cuenta. 

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