Auge en uso de espumados impulsa desarrollo de la tecnología de inyeción

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Considerando que para usuarios y procesadores cobra cada vez más importancia contar con productos de menor peso y costo, las piezas espumadas son una alternativa interesante, por ofrecer relaciones favorables de resistencia mecánica y peso, consumir menos materia prima, y requerir en general menores presiones de inyección. Los avances tecnológicos se han enfocado en aumentar el campo de aplicación de los productos espumados, reducir la cantidad de procesos adicionales para contar con una pieza terminada y hacer más flexible y económica su producción.

Piezas estructurales espumadas
De acuerdo con Uniloy Milacron, los diseñadores y moldeadores están descubriendo las ventajas del moldeo por inyección a baja presión de piezas estructurales de gran tamaño. Tradicionalmente, se fabrican piezas robustas y con altos requerimientos de resistencia mecánica por kilo de producto moldeado; pero ahora, a través de modificaciones en el diseño, es posible crear piezas estructurales espumadas. Reduciendo las presiones es posible abaratar los costos de producción, los requerimientos de fuerza en la prensa de la máquina y emplear moldes más baratos, que incluso pueden fabricarse en aluminio.

En el moldeo a baja presión, la prensa entrega de 10 a 20 veces más de área equivalente de moldeado por tonelada de fuerza que las prensas convencionales de alta presión. Se pueden moldear cavidades múltiples por ciclo en uno o varios moldes, o en moldes apilables. El diseño de las piezas se modifica para incluir refuerzos internos, que garanticen la misma resistencia para una pieza más liviana (la reducción de peso varía entre el 10 y el 30%). Las partes con formas complejas se pueden fabricar sin marcas de hundimiento, y se pueden alcanzar espesores de pared de 3.2 a 12.7 mm. Una excelente alternativa que ofrece el proceso es la de fabricar piezas monolíticas, que reemplazan la manufactura y ensamble de varias partes a través de la inyección de varias capas en una sola pieza.

"La tecnología de espumado estructural ofrece ventajas obvias cuando se analiza la producción de piezas de gran tamaño, que usualmente se fabrican por moldeo convencional empleando fuerzas altas en las prensas de inyección", dice Ed Hunerberg, director ejecutivo del negocio de maquinaria para espuma estructural de Uniloy Milacron. "Estos nuevos procesos eliminan la fuerza en la prensa como parámetro limitante en la producción de partes termoplásticas grandes, al tiempo que generan ahorros significativos en materia prima y peso. Adicionalmente, la tecnología de moldeado por inyección de partes espumadas aumenta la flexibilidad del proceso y la facilidad de controlarlo, especialmente durante el llenado de las cavidades. Ésta es una ventaja crítica cuando se trata de formar piezas de gran tamaño y de formas complejas, con muchas paredes y refuerzos".

El efecto de espumación se logra inyectando un agente espumante (como nitrógeno) dentro de la resina fundida en el barril de la máquina. Debido al patrón de mezclado dinámico que existe dentro del extrusor y a la alta presión de operación, el gas se disuelve formando una solución homogénea (de una fase simple). La alta presión en este punto del proceso impide el crecimiento de las celdas dentro de la espuma, que finalmente ocurre cuando se inyecta el material dentro de la cavidad, a través de boquillas de inyección múltiples que se abren secuencialmente. Durante la espumación el material "crece" hasta llenar la cavidad, ayudado por la presión de sostenimiento, según anota Hunerberg; esta presión interna dentro de la cavidad es suficiente para eliminar los hundimientos en la superficie de la pieza. Los parámetros de inyección se controlan para lograr un uso óptimo de material y evitar la generación de esfuerzos internos. La resina fundida forma una piel por contacto con la superficie fría de la cavidad, y la solidificación del material progresa con la reducción en la temperatura.

Las resinas espumadas para formar partes estructurales reemplazan materiales como madera, metales, concreto y compuestos reforzados con fibra de vidrio. Entre sus aplicaciones se cuentan equipos médicos, de oficina y componentes para la industria automotriz; equipos para manejo de materiales como contenedores, cajas, estibas, etc.; elementos recreativos como botes, tableros de baloncesto, juguetes, deslizadores, y elementos de construcción como puertas, ventanas, bases para equipos de aire acondicionado, tubería y tanques de agua. Para todas las aplicaciones es atractiva la opción de manufacturar piezas monolíticas. Un ejemplo de aplicación se muestra en la Figura 1.

Este sector del moldeo por inyección ha crecido entre el 15 y el 20% en la última década, y la tendencia de la tecnología está dirigida hacia el desarrollo de máquinas más grandes y de mayor productividad. Uniloy Milacron propone diseños ventajosos de boquillas múltiples e inyección en secuencia, que emplean varios moldes en la misma placa (por ejemplo, uno al lado del otro o en forma apilada), y cuyos parámetros se pueden controlar independientemente, a pesar de estar montados en la misma máquina operando simultáneamente. La empresa ha experimentado hasta con 12 moldes de características diferentes, instalados al mismo tiempo en máquinas de boquillas de inyección múltiple; cada cavidad puede tener una o varias boquillas. La tolerancia de llenado se ha podido mantener dentro de un 0.5%. Se varían los parámetros de tamaño y velocidad de inyección: los controles de la velocidad operan en lazo cerrado, para compensar los efectos del cambio en temperatura y viscosidad del polímero, y el tamaño de la inyección es controlado con un microprocesador que actúa en cada una de las entradas de material a las cavidades. Esta forma de operación reduce considerablemente los requerimientos de fuerza en la prensa, logrando incrementos de 50% ó más en la capacidad de producción.

Uniloy Milacron proyecta producir equipos diseñados según las necesidades de los clientes; de hecho, en junio de este año terminó la construcción de la primera máquina de inyección de productos estructurales espumados producida en Batavia, Ohio. La máquina tiene placas de 101 x 153 pulgadas de área (Figura 2) para acomodar moldes de gran tamaño; la prensa tiene una fuerza de 1000 toneladas y puede producir cuatro unidades de 4 x 5 pies en un minuto. La prensa cuenta con boquillas múltiples para ser operadas por dos extrusoras de 6 pulgadas de diámetro cada una. Pueden inyectarse hasta 150 libras, operando con un acumulador de 75 libras; la capacidad es de 4000 libras/hora.

La prensa de esta máquina reemplaza cuatro prensas convencionales de 3000 toneladas, explica Hunerberg; el equipo cuenta con boquillas múltiples programables, que emplean un sistema de inyección en secuencia con controladores independientes; opera con un sistema de colada caliente, y tiene un sistema patentado de inyección asistida con gas presurizado. La empresa está en capacidad de fabricar máquinas de inyección de hasta 400 libras de tamaño de inyección, para alcanzar productividades de hasta 6000 libras por hora (esto equivale a producir, por ejemplo, cuatro productos de 8 x 4 pies al mismo tiempo). Por contar con dos extrusoras, el equipo puede inyectar dos materiales diferentes al mismo tiempo; la reducción en uso del material es de aproximadamente 20%. Los inyectores pueden tener hasta 6 pies de largo en los moldes con contramoldes profundos.

Sistemas multi-prensas
La lectura de la estrategia de Uniloy Milacron ayuda a comprender mejor un nuevo proceso de inyección de espuma estructural que llena los moldes en dos o más prensas: una nueva inyectora de espuma estructural llena moldes múltiples de manera independiente y en sucesión, requiriendo una fuerza en la prensa inferior a la que se necesita cuando todas las cavidades están en el mismo molde. El sistema, denominado PowerFeed, ha sido registrado para patente por Nexus SF y viene de ForcePro, de Tulsa, Oklahoma. El arreglo de la inyección ha sido denominado "Start".

Emplea un extrusor único sin cilindros acumuladores de inyección, que alimenta la resina fundida a través de un distribuidor de material, llenando en secuencia varias prensas independientes. Las partes pueden ser expulsadas de una de las estaciones, mientras que en otra se efectúa el llenado, el enfriamiento, o incluso el cambio de molde; las piezas por inyectar pueden ser de diferentes tamaños y tiempos de llenado, sin embargo se fabrican simultáneamente.

Un PLC recientemente diseñado hace seguimiento al proceso en cada uno de los moldes, con el fin de mantener los tiempos de flujo y llenado óptimos. Las prensas cuentan con un sistema mecánico de cerrado de rodillo y resorte, que asegura fuerzas entre 500 y 2500 toneladas en cada prensa, reduciendo los requerimientos de potencia hidráulica. El espaciamiento entre barras guía es de 66,5 pulgadas y la capacidad de producción del extrusor de 6 pulgadas de diámetro alcanza las 2.500 libras por hora, inyectando polietileno o poliestireno. Una ilustración de la configuración de la máquina se muestra en la Figura 3.

El fabricante afirma que los requerimientos de potencia disminuyen en un 40%, y que el espacio requerido de planta es un 33% menor. Además, el enfriamiento del molde deja de ser un parámetro en la contabilización de tiempo de ciclo, ya que esta etapa no retarda el proceso de inyección.

Coinyección en un solo extrusor
Spirex Corporation tiene la exclusividad mundial para fabricar los sistemas Twinshot. Esta tecnología de coinyección de dos materiales empleando un solo extrusor está ganando aceptación entre las OEM´s (del inglés Original Equipment Manufacturers, fabricantes de equipos originales). El proceso Twinshot permite convertir a una máquina convencional de un solo barril y tornillo en otra que procesa dos materiales, donde uno encapsula al otro. La plastificación ocurre en un único tornillo con diseño de dos etapas, y las cantidades de material son dosificadas empleando un sistema de alimentación controlado.

El sistema Twinshot se adapta naturalmente al empleo de resina espumada para moldeo por inyección, que normalmente se introduce en el centro de la pieza, y en el exterior se distribuye una resina de piel o acabado de producto. La espuma encapsulada, de bajo costo, ahorra materia prima, reduce las marcas de hundimientos en la superficie del producto, disminuye las deformaciones dimensionales y mejora la relación entre resistencia mecánica y peso del producto. De acuerdo con el presidente de Spirex, Paul T. Colby, el sistema ha cobrado interés entre los moldeadores de piezas originales para automotores. "La razón, creemos, es que no existe en el mercado otro sistema de coinyección de la misma capacidad, simplicidad y eficiencia".

Varios fabricantes de equipos de inyección han comprado la tecnología y la están implementando en sus máquinas. Una de ellas es Van Dorn Demag, que incorporó el sistema Twinshot el año pasado en las máquinas nuevas de las series Cadence y Caliper. La red Molde Action Network de Van Dorn Demag también utilizará el sistema Twinshot; de hecho, el equipo de pruebas en el laboratorio de Spirex Corp. es una de estas máquinas. Negri Bossi anunció que integrará la tecnología Twinshot en sus nuevas máquinas de moldeo de dos materiales, y Toshiba Machine también ha acordado ofrecer la opción de implementar el sistema en máquinas hidráulicas o totalmente eléctricas.

Scott Kroeger, director de mercadeo de Vand Dorn Demag, comenta: "constantemente estamos buscando nuevas tecnologías que puedan ayudar a nuestros usuarios a mejorar los productos. El proceso de encapsulamiento de Twinshot permite ahorrar materiales, si el encapsulado está, por ejemplo, en el centro del producto". Larry Pascucci, director general de Negri Bossi Inc., dice que "el sistema Twinshot permite al moldeador simplificar sus requerimientos de equipos para coinyección, elimina la necesidad de espacio adicional y reduce los costos de manufactura". Y Tim Glassburn, vicepresidente de ventas de Toshiba Machine, afirma que el sistema expande los servicios que su maquinaria brinda a los usuarios.

Toda la máquina puede ser operada con un solo material si se desea; otras ventajas de la tecnología son: la posibilidad de tener un tiempo de recuperación corto si la extrusión del material es simultánea; control independiente de la temperatura en las zonas de fundición; diseño robusto, y fácil acceso a tornillo y barril para efectos de mantenimiento.

Espumado MuCell
El sistema ErgoCell de Demag Ergotech es un proceso de espumado físico mediante el cual se inyecta un gas directamente en la resina fundida, siguiendo los parámetros del proceso MuCell. Al inyectarse el gas en la resina, éste se distribuye formando celdas dentro de la cavidad del molde, y genera productos espumados de menor peso y mejores acabados, porque se controlan las marcas por hundimientos en la superficie, y con menos tendencia a la deformación, porque las celdas permiten distribuir mejor los esfuerzos internos en las piezas.

El corazón de la tecnología ErgoCell es un módulo para dosificar y mezclar el gas entre el tornillo de plastificación y la boquilla de inyección. Esto le permite a la masa fundida y al gas mezclarse en un punto que es independiente del proceso de plastificación. Al final del tornillo se coloca un pistón de inyección insertado en la parte interior de un elemento mezclador que es accionado por la rotación del tornillo.

El proceso de inyección con espumación puede ser combinado con el de decoración usando caras de películas plásticas o de tejidos, que requieren presiones de inyección menores y menores fuerzas de cierre; además, con el proceso se reduce el tiempo de ciclo, puesto que la espumación física elimina o minimiza el tiempo requerido para mantener la presión en la cavidad, porque la expansión del gas compensa el encogimiento de la pieza. Por otro lado, al haber menos material, disminuye el tiempo de enfriamiento, y se puede reducir la temperatura de masa fundida sin perder la fluidez requerida en el proceso de inyección. El efecto de expansión también favorece el enfriamiento, porque mantiene la pared del producto en contacto con la pared de la cavidad.

Sin embargo, en el proceso se presentan algunas limitaciones, ya que la resistencia mecánica puede disminuir por la ausencia de material, y no es posible obtener productos espumados transparentes. Desde el punto de vista económico, se generan gastos asociados a la licencia tecnológica del proceso y a la adecuación de la máquina con equipos auxiliares que aseguren enfriamiento uniforme, llenado óptimo de la cavidad y buen sistema de venteo, además de canales de llenado en frío de bajo volumen o de colada caliente con válvulas de aguja.

Hace alrededor de tres años Trexel Inc. comenzó a ofrecer su proceso de espumación MuCell a la industria automotriz; ahora, este proceso está ganando cada vez más adeptos. Un período de incubación de tres años es normal en una industria como la automotriz, porque los ciclos de desarrollo son generalmente largos y las nuevas tecnologías no son adoptadas repentinamente. Ya algunas compañías de máquinas de inyección están mostrando componentes específicos fabricados con la tecnología MuCell. En la pasada feria NPE en Chicago, JSW Plastics Machine Inc. presentó una máquina de 200 toneladas de fuerza totalmente eléctrica, fabricando partes para puertas de automóviles. Branson Ultrasonics mostró un sistema de toma de aire espumado con este proceso.

Moldflow Corporation, de Wayland Mass., desarrolló un programa de simulación de inyección, referencia Moldflow Plastics Insight MPI 4.1, con el cual es posible predecir los flujos y el tamaño de las celdas para el proceso MuCell. Otra

característica de este programa es la posibilidad de predecir la orientación de las fibras empleando el módulo MPI/Flow3D, diseñado para simular piezas de espesor grueso, que no siempre se pueden representar apropiadamente mediante un modelo matemático de plano medio. El análisis de la orientación de las fibras también lleva a la determinación de los factores que contribuyen a las deformaciones y a predecir las propiedades mecánicas de las piezas.

Recubrimientos translúcidos en PU
La tecnología de moldeo de alta presión de Krauss-Maffei ofrece la alternativa de recubrimientos translúcidos en poliuretano alifático, a través del proceso CCM (de las iniciales en inglés Clear Coat Moulding), que genera una superficie resistente a rayaduras y de alta adhesión a materiales base como madera, metal y textiles; el recubrimiento logra texturas rígidas o flexibles.

El proceso CCM se lleva a cabo en una sola operación: el artículo a ser recubierto se inserta en un molde, y entre la cavidad del molde y la pieza queda un espacio, que posteriormente es llenado a alta presión con un poliuretano de dos componentes; después de un tiempo de reacción, se obtiene el recubrimiento de poliuretano, y la pieza puede ser retirada del molde. La calidad superficial copia la textura de la pared del molde, de manera que se elimina la necesidad de cualquier acabado.

El proceso está soportado por nuevos desarrollos en tecnología de mezclado y dosificación, que garantizan alta precisión. El material debe estar absolutamente libre de aire; con ese fin, se genera vacío en los tanques, y las máquinas de mezclado y dosificación se controlan en lazo cerrado; la cabeza de mezclado permanece instalada todo el tiempo. Los deslizadores de los moldes han sido diseñados para soportar altas presiones de cierre de la prensa, y para desplazarse con rapidez. Los tanques, líneas, tuberías, mangueras y bombas permanecen aislados para sostener las altas temperaturas del proceso.

Este proceso elimina el barnizado (que llegaba a requerir hasta 10 aplicaciones de poliéster insaturado, para lograr el espesor y textura deseados); garantiza un espesor uniforme, y la tendencia de encogimiento es mínima. Además, es menos contaminante porque no genera residuos ni volátiles durante el servicio.

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