VALIDACIÓN MEDIANTE CAE DE PARÁMETROS DE PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO PARA DESARROLLO DE UN MOLDE

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1 VALIDACIÓN MEDIANTE CAE DE PARÁMETROS DE PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO PARA DESARROLLO DE UN MOLDE R. Martín del Campo Vázquez a*, R. Alvarado Almanza a, V.H. López Enríquez a, V. Granados Alejo a. a Universidad Politécnica de Guanajuato, Av. Universidad Norte s/n, comunidad Juan Alonso, Cortazar, Guanajuato, C.P , México. * Correo: Resumen El crecimiento de la industria del plástico en el país demanda un rápido desarrollo de productos y procesos. La implementación de herramientas de ingeniería computacionales proporciona una respuesta a estas demandas. En el presente trabajo se muestra el cálculo de los parámetros: número de cavidades, fuerza de cierre, presión de llenado y tiempo de llenado de un proceso de moldeo de polipropileno que se ejecuta en una inyectora de 50 ton. Posteriormente estos cálculos son validados mediante una simulación de flujo con el módulo SolidWorks Plastics. Los resultados obtenidos justifican la elección del equipo de inyección, a partir del cual se comenzará el diseño del molde. Palabras clave: molde, inyección, diseño, simulación, manufactura. 1. Introducción La manufactura de productos de plástico es de gran importancia industrial en México, sin embargo las empresas medianas dedicadas al sector automotriz, electrodomésticos y productos de consumo pocas veces invierten en tecnología que optimice su desarrollo de ingeniería. Las herramientas computacionales de ingeniería (CAE, por sus siglas en ingles), proporcionan certeza en el desarrollo de productos y procesos, reduciendo de forma significativa costo y tiempo de errores no anticipados en el funcionamiento de productos y errores de manufactura. Los cálculos y análisis por elemento finito presentados, son un estudio preliminar y necesario en el desarrollo de un molde de inyección. Se desea fabricar un vaso de polipropileno para bebida, considerando las especificaciones de una máquina inyectora marca Boy con capacidad de 50 ton. 2. Metodología La metodología desarrollada es: 1. Identificación de parámetros de operación de la máquina inyectora y características de la pieza a fabricar. 2. Cálculo de parámetros de inyección: No. de cavidades del molde. Fuerza de cierre requerida. Presión de llenado. Tiempo de llenado, caudal y tamaño de orificio de inyección. 3. Simulación en SolidWorks Plastics 61

2 3. Desarrollo de metodología 3.1 Identificación de parámetros de operación de la máquina inyectora y características de la pieza a fabricar. Los datos necesarios referentes a la máquina son obtenidos de la hoja técnica de la máquina y esta información está concentrada en la Tabla 1 que se muestra a continuación. Tabla 1. Parámetros de operación de inyectora BOY 50M. Parámetro Valor Unidad Masa de inyección por disparo 52.7 g Fuerza de cierre 55 (50.968) kn (ton) Duración de disparo 1 s Con la ayuda del software CAD podemos determinar las características de la pieza a fabricar, siendo una de ellas el área perpendicular proyectada al posible canal de inyección, que es el área mostrada en la Figura 1. Figura 1. Pieza y área proyectada. Las características de la pieza necesarias para realizar el cálculo se muestran en la Tabla 2. Tabla 2. Características de la pieza a fabricar. Parámetro Valor Unidad Masa de pieza gr Área proyectada (9.9) mm 2 (plg 2 ) Volumen de pieza mm Cálculo de parámetros Los parámetros que se calculan son [1]: Número de cavidades, que es calculado con la ecuación 1. (1) Donde: N ct es el número de cavidades teórico, M i es la masa de inyección por disparo de la máquina en g y M p es la masa de la pieza a inyectar en gramos. El valor de N ct debe asegurar la inyección de piezas completas, por lo que se redondea al entero inferior. A este valor ajustado se le denomina N c y es el número de cavidades real que llevará el molde. El factor 0.8 considera que el 20% de la masa de inyección formará parte de los canales de distribución. 62

3 Fuerza de cierre, que es calculada con la Ecuación 2. (2) Donde: F c es la fuerza de cierre mínima que debe proporcionar la máquina en N, c es una constante que tiene un valor de N/mm 2, A p es el área proyectada por cavidad en mm 2 y N c es el número de cavidades real del molde. Presión de inyección, que es calculado con la Ecuación 3. Donde P es la presión en MPa. Tiempo de llenado, caudal y tamaño de orificio de inyección. El tiempo de llenado del molde debe ser menor o igual a 1 s. Con esta consideración el gasto necesario a suministrar al molde se calcula con la Ecuación 4. Donde Q es el gasto en mm 3 /s, V p es el volumen de la pieza en mm 3 y t el tiempo de llenado. Considerando un orificio circular se tiene que el diámetro del orificio de llenado se calcula con la Ecuación 5. (3) (4) (5) Donde d es el tamaño de orificio en mm y γ es la tasa de corte en s -1 dependiente de la viscosidad, que a su vez depende de la temperatura de inyección del polímero. La sustitución de los valores citados en la Sección 3.1 en las ecuaciones enumeradas anteriormente y considerando un tiempo de llenado de 0.5 s y γ de s -1 (correspondiente al PP) generan los resultados mostrados en la Tabla 3. Tabla 3. Parámetros de inyección. Parámetro Valor Unidad N c 2 -- F c N P MPa D mm 3.3 Simulación en SolidWorks Plastics Mediante el software SolidWorks Plastics, se simuló el proceso de inyección de las 2 cavidades del molde. De esta simulación se obtiene la presión de llenado y el tiempo de llenado. Los requisitos de preproceso para alimentar una simulación de llenado son: Localización y tamaño de punto de inyección, la viscosidad del material, temperatura de inyección y máquina inyectora. La definición y tamaño de punto de inyección se pueden observar en la Figura 2. 63

4 Figura 2. Definición de puntos de inyección. La viscosidad del polipropileno se define mediante una curva de Viscosidad vs Tasa de Corte precargada en el software. La temperatura de inyección se considera de 230 C. La máquina propuesta es una con características de operación similares a la que se empleará para realizar la inyección (fuerza de cierre de 50 ton, y presión máxima de 140 MPa). El resultado de la presión de llenado necesaria se ve en la Figura 3, y el resultado del tiempo de llenado se puede ver en la Figura 4. En estos resultados, se puede observar que la presión de llenado necesaria obtenida mediante simulación es de MPa y el tiempo de llenado estimado es de 0.49 s. Figura 3. Presión de llenado. 64

5 Figura 4. Tiempo de llenado. 4. Resultados y discusión De los cálculos teóricos se determina que el molde debe contener 2 cavidades, con esta consideración se calculó la fuerza de cierre necesaria para el molde la cual fue de N, la cual puede ser asociada a un tonelaje de 39.6 ton, que a su vez es un valor inferior a las 50 ton proporcionadas por la máquina. Derivado de esto se concluye que la máquina tiene la fuerza de cierre necesaria para el correcto funcionamiento del molde. Se realizó el cálculo de la presión de inyección de forma teórica, la cual fue de MPa y se determinó un tiempo de inyección de 0.5 s, el cual a su vez implica que el molde deberá tener un orificio de inyección de 2 mm. Con estas consideraciones, los cálculos de presión y tiempo de llenado fueron validados con la ayuda del software, el cual arrojo un resultado de MPa y tiempo de llenado de 0.49 s. Observe que con esta presión el llenado del molde es completo y uniforme, características deseables en un proceso de moldeo por inyección de plástico. Queda pendiente la fabricación y validación experimental del molde. Agradecimientos A nombre de la Universidad Politécnica de Guanajuato, los autores agradecen a PRODEP el apoyo brindado al Fortalecimiento del Cuerpo Académico de Manufactura para la realización del proyecto Desarrollo de Moldes de Inyección de Plástico Para la Industria Guanajuatense. El presente trabajo es resultado de dicho apoyo. Referencias [1] López N. (2012). Diseño de moldes. Memoria de curso. México: Capacitación en plásticos. [2] Sánchez S., Yáñez I., Rodríguez O. (2012). Moldeo por inyección de termoplásticos (1a ed). México: Limusa Noriega. 65

6 [3] Groover M. (2007). Fundamentos de manufactura moderna (3a ed). Mc Graw-Hill. México. [4] Kalpakjian S., Schmid S. (2008). Manufactura, Ingeniería y Tecnología (5ª ed). México. Pearson Prentice Hall. [5] Shih R. (2011). Introduction to finite element analysis using Solidworks simulation 2011 (1a ed) E.U.SDC Publications. [6] Jensen C., Helsel J., Short D. (2004). Dibujo y diseño en ingeniería (6a ed). McGraw-Hill. México. [7] Ávila J. (2013). Industria de autopartes. Pro México - Secretaria de economía. México. [8] Zavala G. (2013). Industrial de electrodomésticos Pro México - Secretaria de economía. Mexico. [9] Flores D. (2009). Implementación del método del diseño para la manufactura y ensamble en la manufactura para moldes para la inyección de colada fría en termoplásticos. México. 66

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