Diseño de un molde de inyección de plástico de dos cavidades

Transcripción

1 Diseño de un molde de inyección de plástico de dos cavidades Ing. Marco Antonio Ramírez Banda 1, M.I. Raúl Alvarado Almanza 2, M.C. Roberto Martín del Campo Vázquez 3 y M.C. Pedro Yáñez Contreras 4. Resumen La manufactura de moldes de inyección de plástico en México es de gran importancia para la fabricación de partes para el sector automotriz que actualmente está creciendo en el centro del país, las cuales están impulsando la manufactura industrial en México; y también para las demás empresas ya dedicadas al sector de electrodomésticos y productos de consumo. El diseño presentado consiste en un ensamble de placas de metal diseñadas para dar forma a dos vasos de polipropileno. Para realizar el diseño se consideraron las especificaciones de una maquina inyectora marca Boy con capacidad de 50 toneladas. Se propone un sistema de enfriamiento espiral para solidificar el plástico. Se destaca el uso de la herramienta computacional de diseño CAD/CAE SolidWorks como base de modelado geométrico de los componentes del molde y validación del diseño. También se realiza la selección de algunos componentes estandarizados de marcas comerciales. Palabras clave Manufactura, Molde de Inyección, CAD/CAE. Introducción México es uno de los países con mayor nivel de importación de moldes. No obstante que la industria del molde es una industria intensamente globalizada y con pocas barreras de entrada en términos tecnológicos y de inversión, no se ha desarrollado en México como podría esperarse de acuerdo al tamaño de su economía, su grado de industrialización y los recursos humanos con los que cuenta. De hecho ProMéxico, organismo de la secretaría de economía señala el proceso de inyección de plástico y la fabricación de moldes como procesos faltantes, escasos o de bajo desarrollo. A la fecha México muestra niveles de importación de moldes mucho más altos que otros países. De acuerdo con Alfredo Aguilar, responsable técnico del proyecto Moldecyt Plataforma Tecnológica Nacional para impulsar el sector de manufactura avanzada de moldes, troqueles y herramentales, conformada por diversos centros tecnológicos y científicos del Conacyt, existe un mercado potencial en México de US$1.600 millones para este sector, que no se aprovecha por falta de capacidad nacional. Entre 5 % y 10 % de la demanda de moldes, troqueles y herramentales, es atendido por empresas nacionales; el restante se importa principalmente de Estados Unidos, Canadá, China, Japón, Alemania, España y Portugal. La industria de moldes, troqueles y herramientas especiales en México se concentra en ciudades como Celaya, Guadalajara, Ciudad de México, Querétaro, Puebla, San Luis Potosí, Toluca, Monterrey y Saltillo. Sin embargo es bastante notoria la ausencia de empresas proveedoras de moldeo por inyección de plástico y servicios relacionados a dicho proceso, ProMéxico muestra en su documento Industria de autopartes un comparativo de la cantidad de empresas que existen en México, considerando un total de 55 empresas proveedoras de moldeo por inyección, contra 350 de maquinados CNC, 274 de pailera, 214 de fundición. Derivado de lo anterior, se constata que como se mencionó anteriormente la industria de inyección de plástico y desarrollo de moldes en México aún no se ha desarrollado, pero se puede ser impulsada a través de la educación profesional enfocada al diseño y fabricación de moldes de inyección de plástico, y de esta manera aumentar el personal calificado en este sector. Con base en lo anterior y el deseo de la universidad de formar recursos humanos capacitados que enfrenten las demandas del sector industrial regional y nacional en el área del moldeo por inyección, se formula el presente trabajo como resultado del proyecto de fortalecimiento de Cuerpo Académico de Tecnologías de Manufactura de la Universidad Politécnica de Guanajuato. El objetivo de este trabajo es diseñar un molde de inyección de plástico para una maquina Boy de 50 toneladas ubicada en el Universidad Politécnica de Guanajuato. Para alcanzar dicho objetivo se requiere realizar cálculos de diseño, obtener modelos sólidos en plataforma CAD, evaluar desempeño del molde mediante CAE y generar planos de fabricación del molde. 1 El Ing. Marco Antonio Ramírez Banda es egresado de la Ingeniería en Tecnologías de Manufactura de la Universidad Politécnica de Guanajuato, Cortazar, Guanajuato @upgto.edu.mx 2 El M.I. Raúl Alvarado Almanza es profesor de Ingeniería en Tecnologías de Manufactura de la Universidad Politécnica de Guanajuato, Cortazar, Guanajuato. ralvarado@upgto.edu.mx 3 El M.C. Roberto Martín del Campo Vázquez es profesor de Ingeniería en Tecnologías de Manufactura de la Universidad Politécnica de Guanajuato, Cortazar, Guanajuato. rdelcampo@upgto.edu.mx (autor corresponsal) 4 El M.C. Pedro Yáñez Contreras es profesor de Ingeniería en Tecnologías de Manufactura de la Universidad Politécnica de Guanajuato, Cortazar, Guanajuato. pyanez@upgto.edu.mx 1191

2 Metodología de trabajo. Para el desarrollo del molde se propone la siguiente metodología de trabajo: 1. Análisis de la pieza a fabricar. 2. Reconocimiento de inyectora BOY 50M. 3. Determinación de parámetros y cálculos de diseño. 4. Desarrollo de modelos y selección de componentes. 5. Validación de propuesta de diseño final. El desarrollo de la metodología presentada se muestra a continuación. Análisis de la pieza a fabricar. El diseño parte de la necesidad de fabricar un molde capaz de dar formar a un vaso de polipropileno para uso doméstico el cual para ser diseñado fue necesario usar la herramienta de CAD Solid Works, esta se presenta en la figura 1. Figura 1. Pieza a fabricar. Reconocimiento de inyectora BOY 50M. La inyectora considerada para el diseño se presenta en la figura 2. Se destaca que las características a considerar para el desarrollo del molde son: Fuerza de cierre (500 kn). Carrera del molde (350 mm). Distancia máxima y mínima de placas (600 y 250 mm). Fuerza de empuje del expulsor (18.1 kn). Presión máxima de inyección (2507 bar). Figura 2. Inyectora BOY 50M. 1192

3 Determinación de parámetros y cálculos de diseño. Un resumen de los parámetros del molde se presenta en el cuadro 1. Parámetros de diseño de molde. Material a inyectar Polipropileno Número de cavidades 2 Material del molde Aluminio 6061 T6 Deflexión máxima de placa soporte 0.05 mm Contracción 2% Espesor mínimo de soporte de paralelas mm Dimensiones de molde cerrado (420 x 305 x 296) mm Diámetro de punto de inyección 1.99 mm Fuerza de cierre requerida N Espesor de placa de botado mm Presión de inyección MPa Longitud de canal 69 mm Cuadro 1. Parámetros de diseño de molde. Desarrollo de modelos y selección de componentes. Los modelos CAD fueron desarrollados también en el software de Solid Works, el cual es un software de diseño paramétrico tridimensional. Los componentes se fueron detallando de forma paralela al desarrollo de la metodología presentada en la metodología de trabajo. Para el diseño del molde de inyección y basado en los modelos CAD desarrollados, también se seleccionan algunos componentes de carácter comercial para reducir los tiempos de manufactura. Los componentes se seleccionaron del catálogo digital de la marca HASCO. Algunos componentes del molde son presentados en la figura 3. Figura 3. Componentes de molde. Validación de propuesta de diseño final. Mediante la ayuda del módulo 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 ejecutar una simulación de llenado son la viscosidad del material, temperatura de inyección y máquina inyectora. 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 t, y presión máxima de 140 MPa.) La presión de llenado necesaria obtenida mediante simulación es de MPa. El tiempo de llenado estimado es de 0.49 s. Estos resultados se presentan en las figuras 4 y

4 Figura 4. Presión de inyección requerida. Figura 5. Tiempo de llenado. Finalmente mediante una simulación de elementos finitos se evalúa la integridad estructural del molde para simular su desempeño ante la presión de trabajo. Los datos de entrada para el preproceso son las propiedades del material y las condiciones de frontera. Las propiedades del material están precargadas en el software (aluminio 6061 T6). Las condiciones de frontera se muestran en la figura 6, en la cual se ve una presentación seccionada del molde, en la cual se pueden apreciar las dos cavidades. Se distinguen en color verde las caras que permanecen fijas ante la presión, y en color rojo se aprecia la carga de la presión (30.4 MPa). En morado se aprecia la fuerza de cierre ( N). En esta misma figura se presenta también el modelo discretizado. Figura 6. Condiciones de frontera del molde y modelo discretizado. 1194

5 En la figura 7 se presentan los esfuerzos de Von Mises y el factor de seguridad que es de 1.2. Figura 7. Distribución de esfuerzo de Von Mises y factor de seguridad. Presentación de resultados y conclusiones. Resultados. En la figura 9 se presenta una vista del molde ensamblado y una vista explosionada del diseño final del molde. Figura 9. Diseño final del Molde. 1195

6 Conclusiones. El molde está concluido en cuanto a la etapa del diseño, ya que se concluyeron modelos sólidos y planos de fabricación en la plataforma CAD. Se generaron 13 modelos sólidos, los cuales fueron ensamblados con algunos otros componentes prediseñados. 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 necesaria de cierre para el correcto funcionamiento del molde Si bien no se muestra a detalle, el cálculo de la presión de inyección de forma teórica es de MPa. Dicho cálculo fue validado con la ayuda del software, el cual arrojo un resultado de MPa. Mediante la ayuda del software se obtuvo el tiempo de inyección el cual fue de 0.49 segundos. Se validó el desempeño estructural del molde ante las condiciones de presión de inyección y fuerza de cierre anteriormente mencionadas, considerando como material de fabricación aluminio 6061 T6. El factor de seguridad obtenido 1.2, por lo cual se considera que el molde soportara las condiciones de operación mencionadas. El uso de herramientas computacionales como el CAE y CAD es de gran ayuda para desarrollar y agilizar los procesos de diseño y manufactura. Queda pendiente la fabricación y validación experimental del molde. Comentario final. Agradecimiento. 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. López, N. Diseño de moldes, Memoria de curso, Capacitación en plásticos, Sánchez S., Yáñez I., Rodríguez O. Moldeo por inyección de termoplásticos, Limusa Noriega, 1a. edición, Groover, M. Fundamentos de manufactura moderna, Mc Graw-Hill, 3a edición, Kalpakjian S., Schmid S. Manufactura, Ingeniería y Tecnología, Pearson Prentice Hall. 5a. edición Shih, R. Introduction to finite element analysis using SolidWorks simulation 2011, SDC Publications, 1a. edición, Avila, J. Industria de autopartes, Pro México - Secretaria de Economía, 2013, consultada por Internet el 15 de enero del Dirección de internet: Zavala, G. Industrial de electrodomésticos 2013, Pro México - Secretaria de Economía, 2013, consultada por Internet el 15 de enero del Dirección de internet: Flores, D. Implementación del método del diseño para la manufactura y ensamble en la manufactura para moldes para la inyección de colada fría en termoplásticos, Panorama del sector de moldes en México, Revista Metalmecánica (en línea), Vol. 19, No. 3, 2014, consultada por Internet el 15 de enero del Dirección de internet: