Variables ocultas en el proceso de inyección

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El proceso de inyección de termoplásticos para la producción de piezas terminadas con geometrías complejas en un solo paso, requiere una amplía gama de aplicaciones.


Existen variables que no se monitorean de manera estándar en el proceso de inyección, y que sin embargo pueden dar información valiosa para controlar la calidad del producto moldeado y aumentar la eficiencia. Conózcalas.

La inyección de termoplásticos, como proceso masivo para la producción de piezas terminadas con geometrí­as complejas en un solo paso, presenta una amplí­sima gama de aplicaciones. Una de las grandes ventajas es la versatilidad de producción: con una sola máquina es posible producir tantas piezas como moldes estén disponibles, siempre que éstos se encuentren en su rango de aplicación.

Una diferencia relevante, comparando este proceso productivo con la extrusión, otro proceso de transformación masivamente utilizado en el mundo para la transformación de termoplásticos, se refiere a la discontinuidad. Esto es, mientras la extrusión logra condiciones de estabilidad de variables como presión y temperatura en el tiempo, en inyección para cada ciclo tendremos curvas en estas variables que presentan cambios en función del tiempo. Esta situación y su adecuado manejo representan una considerable diferencia cuando se trata de lograr un proceso de transformación de alto desempeño, donde la productividad está acorde a lo presupuestado y los productos resultantes tienen una consistencia correcta para el cumplimiento de las expectativas.

En un contexto donde la eficiencia y la efectividad son claves para la competitividad, la posibilidad de tener procesos bajo control es la puerta de entrada a un negocio sostenible. Como es conocido por quienes en algún momento han tenido contacto con un proceso de inyección, existen diversas maneras para obtener un producto que aparentemente cumpla con ciertas caracterí­sticas.

Por tratarse de un proceso discontinuo y de múltiples variables, es compleja la predicción del resultado. Sin embargo en la industria es habitual hacer uso de modelos simplificados, que permiten calcular y prever el desempeño del proceso. Estas simplificaciones normalmente asumen condiciones de estado estable, las cuales no se logran. Incluso, en ocasiones, de manera opuesta a lo deseado, son completamente erráticas, lo que distanciará de forma considerable el desempeño final respecto a las estimaciones realizadas. Cuando se pretende acercar ese resultado a las estimaciones iniciales, la gran pregunta es: ¿Por dónde comenzamos?

Al remitirnos a los modelos, se requieren como datos de entrada, una o algunas de las siguientes variables:

  •           Temperatura de masa.
  •           Temperatura de expulsión de la pieza.
  •           Temperatura del fluido refrigerante.
  •           Caudal de fluido refrigerante.
  •           Temperatura de pared de molde.
  •           Presión en la cavidad.
  •           Ratas de cizalladura (velocidad de inyección, RPM del tornillo).
  •           Propiedades de la resina.

Lo que con frecuencia hacemos es basarnos en datos sugeridos por los fabricantes de las resinas, y de esta forma buscamos obtener valores estimados, por ejemplo, de tiempos de ciclo, niveles de contracción, entre otros.

¿Cuántas veces podemos medir alguna de estas variables en nuestro proceso? ¿Cuántas veces identificamos que tan errática o estable está siendo la condición de cada variable? ¿Identificamos fácilmente cuál es la variable que tenemos fuera de control?

Los que logran tener la posibilidad de monitorear y quizá controlar todas estas variables, con absoluta seguridad se encuentran en un nivel de desempeño superior de su proceso. Los que no lo logran, navegan permanentemente en un mar de incertidumbre, resolviendo las situaciones de proceso con la experiencia, el olfato y el sentido común.

En un proceso productivo como la inyección de termoplásticos, donde las máquinas permiten monitorear una cantidad importante de las variables del proceso, en ocasiones perdemos de vista otras tantas que no necesariamente la máquina inyectora nos permite seguir. Estas son de tanta o quizá mayor importancia que otras que sí­ se miden desde el panel de control de la inyectora.

Lo recomendable, siempre será combinar estas variables de proceso y todas las demás de tal manera que se obtenga el producto en las mejores condiciones de desempeño y de la manera más económica posible; poder lograr este cometido, sin tener plena certeza de los valores reales de las variables, se convertirá en un extenso e indescifrable proceso iterativo con una reducida posibilidad de éxito. Por lo anterior, siempre será mucho más efectivo conocer los valores de cada uno de los parámetros, para así­ encontrar la combinación más efectiva. 

Temperatura de masa

El control de la máquina nos muestra una aproximación a lo que es la temperatura de masa. Es apropiado conocer cuál es realmente la temperatura de masa fundida, dado que esto tiene incidencia en la viscosidad y el tiempo de enfriamiento. Para medir la temperatura de masa se deja salir un poco de resina desde la boquilla y se mide la temperatura directamente con un termopar.

Temperatura de expulsión de la pieza

La medición, seguimiento y control de esta variable permite tener un mayor nivel de certeza respecto a los niveles de contracción que se lograran en el producto final. Los materiales semi-cristalinos son más sensibles a variaciones en este parámetro que los materiales amorfos. Sucede que en muchas ocasiones las aplicaciones de materiales semi-cristalinos no son tan exigentes en términos de dimensiones, como pueden serlo las aplicaciones fabricadas en materiales amorfos, por lo que se le puede restar importancia a la variable de temperatura de expulsión. Sin embargo, esta variable también nos puede dar información respecto a si el producto podrí­a ser desmoldado antes (logrando un menor tiempo de ciclo).

La diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del fluido refrigerante dentro del molde

Este parámetro es más importante que la temperatura de entrada del lí­quido, que normalmente se mide. Podrí­amos tener un fluido refrigerante a la entrada a 7°C y no tener una correcta condición de refrigeración, mientras que podrí­amos disponer un fluido refrigerante que ingrese al molde a 20°C y que como temperatura de salida reporte 22°C, siendo la segunda una evidencia clara de un correcto enfriamiento.

¿Por qué? Una temperatura de entrada no garantiza una rata de enfriamiento suficientemente eficiente, si para el primer caso por ejemplo la temperatura de salida son 12°C o incluso 15°C; por el contrario, ésta es una evidencia de que el caudal que pasa por el molde es insuficiente.

Los modelos mencionados anteriormente asumen, para los cálculos de transferencia de calor, una temperatura uniforme de pared del molde, y con esto una tasa de transferencia de calor entre la pieza plástica y el molde más o menos uniforme. Si tenemos diferencias de temperatura entre la entrada y la salida del lí­quido refrigerante superiores a 5°C, quiere decir que las diferencias de temperatura en la pared del molde serán por lo menos de esta misma magnitud, lo que generará tasas de flujo de calor disparejas a lo largo de la pieza, niveles de contracción diferenciales y esfuerzos internos que pueden llegar a generar dificultades en el desempeño y/o en la apariencia del producto.

Caudal de refrigerante circulando por el molde

En concordancia con el punto anterior, es muy importante vigilar las temperaturas de entrada y salida, así­ como el caudal total de refrigerante. El caudal más alto posible garantiza la menor diferencia de temperatura entre la entrada y la salida, así­ como un régimen de flujo tan turbulento como sea posible, que favorezca el coeficiente convectivo al interior de los canales del molde.

Temperatura de pared del molde

La importancia de la vigilancia de las variables mencionadas es mayor si tomamos en cuenta que no todas pueden ser modificadas de manera directa. Esto quiere decir que algunas de ellas modifican sus valores en dependencia de otras. Así­, no tenerlas visibles hace aún mucho más complejo el seguimiento al proceso.

Es el caso de la temperatura de pared del molde, que será la consecuencia de la temperatura de masa, la temperatura del fluido refrigerante, el caudal de fluido refrigerante y la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del fluido refrigerante. Además impactará los niveles de presión requeridos para el llenado volumétrico de la pieza.

Presión en la cavidad

Hacer seguimiento a la presión en la cavidad permite identificar de manera mucho más precisa y sencilla el punto de conmutación, para establecer el punto de aplicación de postpresión y su duración; con esto, los consumos de energí­a y la definición de la fuerza de cierre se facilitan y se llevan a un punto ideal. Adicionalmente, se genera un impacto positivo en la calidad de las piezas inyectadas.

Rata de cizalladura

Si bien se mide en el panel de control de la inyectora la velocidad de giro del husillo mientras se plastifica y la velocidad de avance mientras se lleva el material al interior de la cavidad, pocas veces se revisa la rata de cizalladura a la que se somete el material. Este dato es sumamente relevante para conocer la viscosidad de la resina. Una forma de identificar este valor es a través de simulación de proceso de inyección. Además, conocer la viscosidad en cada momento del proceso permitirá monitorear la condición de flujo de la resina. De esta forma es posible al mismo tiempo cuidar las condiciones de la resina y los niveles de consumo de energí­a, garantizando la correcta conformación del producto final.

Resinas

Los fabricantes de resinas tienen muy bien definidas las propiedades de cada uno de sus productos. Normalmente entregan fichas técnicas donde las describen de manera amplia, y sus procesos de producción y control de calidad habitualmente cumplen con estándares muy altos, lo que les permite garantizar un adecuado nivel de consistencia.

Sin embargo, en ocasiones las propiedades de los materiales cambian lote a lote, y esto impacta de manera importante el desempeño de los procesos. Pretender que no sucedan estos cambios o esperar que los niveles de variación sean menores a los que ya hoy garantizan los proveedores puede ser riesgoso. Es por esto que una medida práctica es hacer alguna revisión a las condiciones de la resina antes de ingresar al proceso, por ejemplo a través de una medición de í­ndice de fluidez. De esta manera se hacen visibles variables que fácilmente se ocultan a la vista del dí­a a dí­a.

Conclusión

El proceso habla, nos da toda la información que requerimos. En algunos casos, no somos conscientes de que la información está ahí­, en otros no tenemos la manera de medir las variables relevantes o incluso, teniendo los medios para hacerlo, lo dejamos pasar.

Capturar la información del proceso, interpretarla, tomar medidas y mantenerlas bajo control hace la diferencia entre un proceso que nos entrega lo que puede y un proceso repetible, consistente y sostenible.

La alta interrelación que existe entre las variables, en ocasiones, puede tornar confusa la posibilidad de encontrar la causa real de alguna dificultad en el proceso; dicho en otros términos, existen diversas combinaciones de variables para llegar a un buen resultado. No conocer las magnitudes de estas variables puede elevar de manera importante la complejidad del proceso.

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