Aplicación de Herramientas Computacionales en el Diseño y Comportamiento Mecánico de Piezas Plásticas

Transcripción

1 Universidad Simón Bolívar Aplicación de Herramientas Computacionales en el Diseño y Comportamiento Mecánico de Piezas Plásticas Trabajo de Ascenso para Optar a la Categoría de PROFESOR TITULAR Rosa Amalia Morales Nieves Sartenejas, Octubre 2005.

2 RESUMEN El presente trabajo está constituido por cinco capítulos relacionados con la utilización de herramientas de Ingeniería Asistida por Computador (CAE) y de Diseño Asistido por Computador (CAD), las cuales permiten llevar conceptos del diseño a una representación gráfica manipulable, para establecer geometrías y dimensiones de piezas. Las representaciones CAD son consideradas como el punto de partida para el diseño y elaboración de moldes y prototipos. Adicionalmente, estas herramientas permiten realizar simulaciones controladas de los procesos, con el fin de corregir fallas en el diseño de las piezas y/o moldes, antes de su construcción ahorrando tiempo y dinero. Uno de los capítulos se refiere a la optimización del proceso de inyección, diseño de diversas piezas y de sus moldes, a través del uso de herramientas de computación. Otro de los capítulos, uno de los más relevantes por su aporte en el área de simulación de procesos de inyección, está enfocado a evaluar cómo influyen las características del modelo y el programa utilizado en la exactitud de los resultados de la simulación. Un tercer capitulo, el cual constituye una contribución en el área de diseño de piezas plásticas, en donde se estudia el comportamiento mecánico de piezas moldeadas por inyección mediante el uso de las herramientas computacionales mencionadas. Un cuarto capítulo en donde se diseñan y validan moldes instrumentados, para diferentes piezas y materiales, usando transductores de presión virtuales en la cavidad, los cuales permiten medir directamente la presión durante el proceso de de llenado del molde, ya que la calidad de una pieza inyectada está directamente relacionada con la máxima presión generada en la cavidad, y por último, un capítulo en donde se aplica el método de prototipado rápido para el diseño de una pieza de pared delgada para termoformado, en donde el modelo de la geometría de la pieza fue obtenida mediante un programa modelador de sólidos y la factibilidad del diseño fue evaluada en un programa simulador del proceso de termoformado. En el primer capítulo, de una forma general para familiarizarse con el tema, se estudia la integración de herramientas computacionales con la finalidad de diseñar piezas y sus moldes de inyección utilizando programas de diseño, de simulación de procesos y de manufactura. Se desarrollaron las etapas de la ingeniería concurrente para lograr piezas optimizadas, en donde se combina el análisis del mercado, la simulación del proceso, el análisis mecánico de la pieza y las condiciones de proceso, con el diseño de la pieza y su generación de códigos de control numérico (CNC) para la posterior manufactura del molde. Se estudiaron piezas comerciales, tales como un estuche para CD y una tapa de uso farmacéutico. Adicionalmente, se muestra como la inclusión de estas tecnologías facilita el proceso de diseño y manufactura de cualquier pieza plástica. En todos los casos, antes de comenzar el proceso de diseño se realizó un estudio de la geometría y dimensiones de las piezas, así como de su funcionalidad, incluyendo su comportamiento mecánico. En aquellos casos i

3 que se consideró necesario, se plantearon modificaciones al diseño original de la pieza, tales como disminución de espesores en zonas críticas. Luego se realizaron las consideraciones previas al diseño del molde (material polimérico, máquina de inyección, aceros para fabricar los moldes, sistema de alimentación y de refrigeración). Se proponen diferentes sistemas de alimentación y enfriamiento y se realizan simulaciones en el programa simulador del proceso de inyección. Se seleccionó el sistema más eficiente y con este se llevaron a cabo las simulaciones estableciendo diferentes condiciones de proceso, tales como temperatura de inyección, presión de inyección y presión sostenida, tiempos de enfriamiento y compactación, hasta obtener las condiciones óptimas de proceso. Por último, se realizó el diseño del molde en el modelador de sólidos en 3D, con sus respectivos planos y códigos de manufactura. Para el estuche de disco compacto, se validó el diseño con la fabricación del prototipo lo cual ayudó a la detección inmediata y a la reducción de posibles errores en el diseño. En general, este prototipo permitió comprobar el correcto ensamblaje de las piezas que conforman el estuche, aún cuando este había sido verificado en el programa simulador en 3D. En el segundo capítulo se evalúan dos aspectos fundamentales: el efecto de las características del modelo utilizado para la creación de una malla de elementos finitos en los resultados de la simulación de piezas inyectadas y cómo varían las predicciones de parámetros de proceso en función de la naturaleza del material empleado (amorfo o semicristalino). Para realizar estas evaluaciones, fue necesario establecer una metodología que considerara las limitaciones del modelo (forma, número y tamaño de los elementos, relación de aspecto, entre otras) así como establecer criterios de convergencia. Los estudios incluyen la creación de la malla de elemento finitos en diferentes programas de simulación; se consideran programas del tipo CAD así como programas del tipo CAE. Adicionalmente, se evaluaron diferentes geometrías y se modificaron las condiciones de inyección. Al realizar el análisis de los resultados de la simulación, entre los que se mencionan tiempo de inyección, presión de inyección y tiempo de enfriamiento, se observó una marcada diferencia en los valores obtenidos entre los dos tipos de programas empleados. Al comparar los resultados de la simulación con los obtenidos experimentalmente, se encontró que cuando el modelo (malla) es creado directamente en el programa simulador del proceso de inyección, la predicción de los parámetros de proceso es más precisa y coinciden con los valores obtenidos experimentalmente. En general, a mayor número de elementos en el modelo y menor tamaño de los mismos, se favorece la predicción de los parámetros de proceso. Finalmente, se encontró que la exactitud de la predicción en programa de simulación del proceso utilizado varía con el tipo de material, encontrándose sobreestimados algunos de los valores de la ventana de proceso (presión de inyección), así como de la contracción lineal, cuando se emplean materiales semicristalinos. El resto de las predicciones se ajusta bien a la realidad. ii

4 En el tercer capítulo se estudian las propiedades mecánicas de dos piezas comerciales moldeadas por inyección, un teléfono celular y un estuche de CD, utilizando herramientas del tipo CAD y CAE, particularmente un programa modelador de sólidos en 3D y un programa de simulación del proceso de inyección, respectivamente. En ambos casos, se simularon las fuerzas externas que actúan sobre las áreas críticas de cada una de las piezas en el momento de su apertura, con programas de simulación que son capaces de modelar las cargas estáticas para el análisis de los esfuerzos, mediante la creación de una malla de elementos finitos. Se compararon los resultados obtenidos con el programa modelador de sólidos en 3D, con los obtenidos con un programa simulador del proceso de inyección y con los obtenidos en una máquina de ensayos universales. Los resultados de la simulación presentaron tendencias similares a los obtenidos experimentalmente. En ambos casos, se observa que el máximo esfuerzo en la pared y los mayores esfuerzos residuales se presentan en la zona de la entrada y en las secciones de menor espesor. Sin embargo, los esfuerzos estimados entre ambos programas muestran diferencias. Es por esta razón que se concluye que es necesario analizar cuidadosamente los resultados obtenidos con los programas CAD y no tomar como una creencia absoluta los resultados aportados por los mismos, por lo que se hace particular referencia a su validación, de forma tal que el usuario sea lo más crítico posible antes de tomar decisiones definitivas. En el cuarto capítulo de este proyecto se evaluó la influencia de los parámetros de inyección sobre las curvas de registro de presión en la cavidad para piezas planas rectangulares. Entre los parámetros a estudiar se mencionan: presión sostenida, temperatura de inyección, tiempo de presión sostenida y tiempo o velocidad de inyección, entre otros. Además, se evaluó el comportamiento de dos polímeros comerciales, un material semicristalino como el PP y un material amorfo como el PSAI. Adicionalmente, se evaluó el efecto de factores geométricos (espesor de la pieza y factor de forma) sobre los datos reportados por el programa simulador. El estudio se realizó colocando un transductor virtual directamente en la cavidad de moldeo para que mida presión generada en la cavidad al modificarse las condiciones de inyección. En cuanto al posicionamiento de los transductores en la cavidad del molde, se tomaron en cuenta dos consideraciones: Un transductor ubicado al final del llenado, y otro al comienzo del llenado o cerca de la entrada, ya que esto permite el monitoreo de la caída de presión a través de la cavidad y brinda información acerca del grado de compactación de la pieza. Los parámetros de inyección utilizados en la simulación fueron tomados de las condiciones reales de inyección para la pieza estudiada. iii

5 Se observó que las curvas de presión en la cavidad pueden tomar diferentes formas dependiendo de diversos factores, y en general, se cumplen ciertas reglas generales que se deben de tomar en cuenta para el monitoreo de la presión en la cavidad. Con respecto al material utilizado, se tiene que para el PP el cierre de la entrada es seguido por un rápido decremento de la presión en la cavidad, mientras que en el material PSAI, se aprecia una suave y continua disminución. Por otro lado, la velocidad de inyección afecta igualmente la forma de las curvas de presión en la cavidad. Una alta velocidad de inyección trae consigo un incremento rápido de la presión en la cavidad durante el llenado y alta resistencia de flujo. Por el contrario, una baja velocidad de inyección produce un incremento lento de la presión en cavidad durante el llenado y baja resistencia al flujo. Aunque la máxima presión en la cavidad pareciera estar influenciada por parámetros, tales como la velocidad del frente de flujo, la viscosidad, la carga del material, etc., es la presión sostenida el factor que más influyó en las curvas teniéndose que mientras mayor fue su valor, mayor es la presión en la cavidad. Adicionalmente, mientras mayor fue el valor de tiempo de presión sostenida, mayor es el tiempo en que culmina la compactación. Los cambios de temperatura en el molde pudieron registrarse en las curvas de presión en la cavidad, tomando en cuenta que mientras mayor fue la temperatura, mayor fue el área bajo la curva (integral). La conclusión más relevante de este estudio es el beneficio de implementar un sistema de instrumentación para detectar el impacto de las variables de proceso en la calidad final de la pieza. Sin embargo, los factores geométricos de la pieza producen cambios substanciales en el registro de las curvas de presión. En el último capítulo se estudia el desarrollo de un prototipo para producir un envase de medida y su molde, utilizando herramientas CAD/CAE/CAM/PR, a través de un programa modelador de sólidos en 3D y un programa de simulación del proceso de termoformado, para determinar las correcciones en la geometría del diseño. Se realizó el prototipo de la pieza, mediante la técnica de prototipado rápido de deposición de material por fusión, y se realizó el prototipo del molde por la técnica de maquinado. Para evaluar el prototipo, se compararon datos experimentales obtenidos en una termoformadora con los obtenidos por medio de un programa simulador del proceso de termoformado. De los resultados se obtiene que mediante la simulación del proceso se pueden identificar las fallas en el modelo de la pieza a fin de corregir las fallas en el diseño del molde y además permite estimar las condiciones óptimas de moldeo donde la pieza presenta una distribución de espesores mas homogénea, lo cual constituye un ahorro considerable de tiempo y material al momento de iniciar la producción de los artículos. iv

6 AGRADECIMIENTOS Agradezco sinceramente a mi compañera de trabajo, Profesora María Virginia Candal, por sus valiosos aportes y dedicación, así como por su amistad. A los Profesores Oscar González y Profesor Heber D Armas con quienes a pesar de muchos esfuerzos hemos logrado formar un gran equipo de trabajo. Este proyecto de investigación no hubieses sido posible sin la participación activa de la Ing. Sobeida Villarroel y el Ing. Héctor Rojas, quienes compartieron sus conocimientos y experiencias, además de brindar su soporte técnico y humano, siendo en algunos de los casos coautores de los artículos presentados. Al personal del Laboratorio E, Sección Polímeros, Sr. Próspero Soto y Sr. Fabio Albán, por su disposición para atender y colaborar en todo momento durante la realización de este proyecto. Al personal del Laboratorio E, Sección Máquinas y Herramientas, por su soporte técnico y colaboración prestada. v

7 INDICE Página Resumen i Agradecimientos v Indice General vi Prólogo 1 Capítulo I Optimización del Diseño de Piezas Plásticas y Moldes mediante 5 Herramientas Computacionales Introducción 6 Separata 1: A Mold Design Methodology by using CAD/CAM/CAE 16 Tools. Experiences and Current Trends in Venezuela Separata 2: La Gestión del Mercadeo como importante Herramienta 17 para la Optimización de Productos: Un Caso de Estudio Separata 3: CD Case Design using a Simulation Software for Injection 18 Molding Processing Manuscrito 1: Integración CAD/CAE/CAM/PR en la Optimización del 19 Diseño de Productos Plásticos: Caso de Estudio Separata 4: Mold Design Optimization for Security Caps Used in the 20 Pharmaceutical Industry Separata 5: Injection Family Molds Productivity using CAD/CAE Tools 21 Manuscrito 2: Design of Plastics Pieces and Their Molds using 22 CAD/CAE Tools (Part 1) Conclusiones 23 Capítulo II Evaluación de las Características del Modelo y el Programa en 25 los Resultados de la Simulación en Piezas Moldeadas por Inyección Introducción 26 Separata 1: Experimental verification of 3D injection Molding Simulation 32 Separata 2: Experimental Validation of a Mold Filling/Cooling Software 33 Separata 3: Experimental Validation of a Simulation Software for a Flat 34 Specimens Injection Mold Separata 4: Effect of the Finite Element Meshing for Designing plastics 35 Pieces vi

8 Manuscrito 1: Effect of the Mesh Number Element in Simulation Results 36 of Normalized Test Specimen Injection Molded Conclusiones 37 Capítulo III Evaluación Mecánica de Piezas Moldeadas por Inyección 38 mediante Herramientas Computacionales Introducción 39 Separata 1: Evaluación Mecánica de un Estuche de Disco Compacto 47 Separata 2: Aplicación de Herramientas CAE para la Evaluación 48 Mecánica de Estuches para Discos Compactos Separata 3: Stress Concentration Evaluation in an Injected Commercial 49 Piece using Computational Tool Separata 4: Plastic Piece Stress Analysis using Simulation Software 50 Conclusiones 51 Capítulo IV Estudio del Diseño de Moldes de Inyección Instrumentados 52 Introducción 53 Separata 1: Design of Controlled Mold of Normalized Test Specimen 57 Separata 2: Process Variable s Effect over the Cavity Pressure in 58 Polymers Separata 3: Geometry Influence in Cavity Pressure Curves Registration 59 Conclusiones 60 Capítulo V Utilización de Herramientas Computacionales CAE/CAD/CAM en 62 el Diseño de Piezas Termoformadas Introducción 63 Separata 1: Thermoforming Prototype Mold Evaluation using a CAE 66 Software Conclusiones 67 Referencias 68 vii

9 PROLOGO En el presente trabajo se presentan los resultados de las investigaciones realizadas durante el periodo comprendido entre Febrero del 2001 y Septiembre de 2005, el cual es para optar a la categoría de Profesor Titular. El siguiente trabajo consta de: artículos publicados en revistas indexadas: dos (2) en revistas nacionales y dos (2) en revistas internacionales, artículos aceptados para publicación en revistas indexadas: uno (1) en revistas nacionales y uno (1) en revista internacional, artículos publicados en memorias de congresos internacionales arbitrados: nueve (9), artículos publicados en memorias de congresos nacionales: uno (1), artículos publicados en memorias de congresos internacionales en extenso: cuatro (4) y resultados de la Tesis de Maestría. El objetivo general de este estudio es dar soluciones adecuadas a diversos problemas que se plantean en el desempeño y/o diseño de cualquier pieza, utilizando una metodología sistemática de análisis, para la obtención de una pieza aceptable para el uso al que se destina. Dado que los pasos a seguir en cualquier proyecto de diseño siempre se mantienen, las investigaciones que se presentan a lo largo de este trabajo están enmarcadas dentro de estas. Estos estudios tienen gran importancia ya que las investigaciones en el campo del diseño de piezas plásticas y/o evaluación de su desempeño, cuando se utilizan herramientas computacionales, no han sido rigurosas en aspectos, tales como, el efecto que tienen las condiciones de proceso sobre el comportamiento mecánico, en particular sobre los esfuerzos residuales presentes en una pieza, el cual no puede ser incorporado en programas comerciales de diseño mecánico. Adicionalmente, son muy pocos los que han considerado el efecto de las características del modelo utilizado en la exactitud de los resultados obtenidos de la simulación, así como de las limitaciones en la caracterización de los materiales. Otro aspecto importante que se analiza es la incorporación de los métodos de prototipado rápido, el cual a través de un modelo CAD generado como un sólido en 3D puede obtener un prototipo igual al diseñado mediante el programa modelador CAD. Se logró establecer experimentalmente las ventajas del uso de herramientas CAD/CAE/CAM en el diseño de piezas termoformadas así como en la elaboración de los moldes necesarios para su producción. Se demostró que al utilizar herramientas de simulación para validar la pieza y su molde, se pueden establecer las fallas que éstos presentan y considerar las recomendaciones para corregir las mismas de forma de obtener piezas con las dimensiones requeridas, a través de la implementación de estas tecnologías en nuestro país. 1

10 En el primer capítulo, considerado como un capítulo introductorio del tema a desarrollar, se presentan siete (7) artículos sobre la metodología a seguir en el diseño de piezas, en la evaluación de su desempeño, así como optimización del proceso de manufactura, cuando se emplean herramientas computacionales. Primeramente, se presenta un (1) artículo publicado en las memorias del 7th internacional Research/Expert Conference, TMT 2003, titulado A Mold Design Methodology by using CAD/CAM/CAE Tools. Experiences and Current Trends in Venezuela donde fueron comparadas todas las fases involucradas en el proceso de diseño para crear u optimizar piezas comerciales de gran interés en la industria venezolana (1). Esto se hizo con la finalidad de establecer una metodología para el diseño de una pieza plástica, independientemente del proceso de manufactura involucrado, utilizando herramientas de Ingeniería Asistida por Computador, Diseño Asistido por Computador y Manufactura Asistida por Computador (CAD/CAE/CAM). Seguidamente, se presentan dos (2) artículos en donde se analiza una pieza comercial para el mercado discográfico, de los cuales uno (1) fue publicado en la revista venezolana arbitrada Revista Venezolana de Gestión Tecnológica, Espacios, titulado La Gestión del Mercadeo como Importante Herramienta para la Optimización de Productos: Un Caso de Estudio (2), y otro fue publicado en la memorias del Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers Conference, ANTEC 2001, titulado CD Case Design using a Simulation Software for Injection Molding Processing (3). Se continúa con un (1) artículo aceptado para publicación en la revista venezolana Ciencia e Ingeniería, titulado Integración CAD/CAE/CAM/PR en la Optimización del Diseño de Productos Plásticos: Caso de Estudio (4). Adicionalmente, se incluyen dos (2) artículos en donde se diseña y analiza una tapa para uso farmacéutico, y posteriormente, se optimiza el diseño de su molde: uno (1) publicado en la revista arbitrada Polymer Plastics Thecnology Engineer PPTE, titulado Mold Design Optimization for Security Caps Used in the Pharmaceutical Industry (5) y otro publicado en del Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineeris Conference, ANTEC 2004, titulado Injection Family Molds Productivity using CAD/CAE Tools (6). Por último, se incluye un (1) artículo aceptado para su publicación en la revista arbitrada Computer Aplication in Engineer Education, titulado Design of Plastics Pieces and Their Molds using CAD/CAE Tools (Part 1) (7), donde se exponen las experiencias obtenidas durante el desarrollo de dos cursos en los cuales se incluyen las herramientas computacionales en el análisis mecánico y diseño de piezas y sus moldes. En el segundo capítulo, uno de los más relevantes junto al capítulo tres, se presentan cinco (5) artículos en donde se evalúan las limitaciones que pueden presentar los modelos de elementos finitos de los programas modeladores de sólidos en 3D o las suposiciones que los programas de simulación del proceso de inyección asumen cuando se diseña un molde de inyección, realizando una validación experimental, tanto para materiales amorfos como para semicristalinos. Se comparan resultados obtenidos con diferentes programas del tipo 2

11 CAD y CAE. El primer artículo publicado en las memorias del 6th internacional Research/Expert Conference, TMT 2002, titulado Experimental Verification of 3D Injection Molding Simulation (8), presenta cómo varían las predicciones de parámetros de proceso dependiendo del programa simulador del proceso de inyección utilizado. En los siguientes dos (2) artículos publicados en las memorias del Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers Conference, ANTEC 2001, titulados Experimental Validation of a Mold Filling/Cooling Software y Experimental Validation of Simulation Software for a Flat Specimens Injection Mold (9,10), se comparan los resultados obtenidos de la simulación con los obtenidos experimentalmente para un molde de probetas normalizadas y una pieza plana rectangular, respectivamente, en donde se varían las condiciones de proceso y se evalúa su efecto sobre los patrones de llenado, propiedades mecánicas, peso y contracción, entre otras. Los últimos dos (2) artículos particularmente estudian cómo afectan las características del modelo, así como el programa empleado, en la exactitud de los resultados de la simulación de piezas plásticas moldeadas por inyección; se comparan los resultados teóricos con los experimentales. Un (1) artículo publicado en las memorias del Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers Conference, ANTEC 2002, titulado Effect of the Mesh Number Elements in the Simulation Results of Normalizad Test Specimens Injection Molded (11) y otro aceptado para publicación en la revista arbitrada Polymer Plastics Thecnology Engineer PPTE, titulado Effect of the Finite Element Meshing for Designing Plastics Pieces (12). En el tercer capítulo, parte fundamental de este trabajo por sus aportes innovadores al campo tecnológico del área, se analizan cuatro (4) artículos. En tres de ellos se analiza el comportamiento mecánico de un estuche de disco compacto, en donde primeramente se hace una evaluación técnica de la pieza y se proponen alternativas para mejorar su desempeño, seguidamente, se evaluó la presencia de esfuerzos residuales en la pieza, y por último, se analizan las causas de esta concentración de esfuerzos. En todos los casos se emplean herramientas computacionales para el análisis del diseño de la pieza y del proceso de transformación. Uno (1) de los artículos fue publicado en las memorias de las Jornadas de Ingeniería de la Facultad de Ingeniería de la UCV, JIFI 2002, titulado Evaluación Mecánica de un Estuche de Disco Compacto (13). Otro de los artículos fue publicado en la Revista de la Facultad de Ingeniería de la UCV, titulado Aplicación de Herramientas Computacionales para la Evaluación Mecánica de Estuches para Discos Compactos (14) y otro publicado en las memorias del Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers Conference, ANTEC 2005, titulado Stress Concentration Evaluation in an Injected Comercial Piece using Computacional Tools (15). Finalmente, se presenta un (1) artículo en donde se analiza el origen de los esfuerzos encontrados en un teléfono celular comercial, comparando los resultados obtenidos utilizando un programa modelador de sólidos en 3D y un programa simulador del proceso de inyección. Este artículo fue publicado en las memorias del Annual Technical Conference of the Society 3

12 of Plastics Engineers Conference, ANTEC 2005, titulado Plastic Piece Stress Analysis using Simulation Software (16). En el cuarto capítulo, se muestran tres (3) artículos publicados en memorias de congresos internacionales en extenso. Dos (2) artículos publicados en las memorias del Annual Meeting of the Polymer Proccesing Society PPS 18 y Regional Meeting of the Polymer Proccesing Society PPS19, titulados Design of Controlled Mold of Normalized Test Specimen y Process Variable s Effect over the Cavity Pressure in Polymers (17,18), respectivamente, en donde mediante ingeniería asistida por computador se realizaron simulaciones del proceso de inyección controlado por sensores de presión y se estudió la correlación teórico/experimental entre las variables del proceso y la presión en la cavidad, así como el efecto de la posición del sensor sobre estos registros. Con el fin de evaluar el efecto de la geometría de la pieza sobre el comportamiento de los registros de presión en la cavidad, se incluye un (1) artículo publicado en las memorias del Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers Conference, ANTEC 2005, titulado Geometry Influence in Cavity Pressure Curves Registration (19). En el último capítulo se muestra un (1) artículo de un estudio preliminar aplicado al proceso de termoformado que tuvo como objetivo principal el diseño y producción del prototipo de una pieza termoformable, utilizando herramientas CAD/CAE/CAM/PR, a través de un programa modelador de sólidos en 3D, un programa simulador del proceso y la técnica de prototipado rápido. Este artículo fue publicado en las memorias del Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers Conference, ANTEC 2004, titulado Thermoforming Prototype Mold Evaluation using a CAE Software ( 20). Cada uno de los capítulos presentes en este trabajo consta de una Introducción, las separatas o manuscritos que apoyan la información que se discute, y las Conclusiones. Además, se anexan las respectivas cartas de aceptación enviadas por los editores de las diferentes revistas de los manucristos que fueron enviados para su publicación. Estas se incluyen inmediatamente después de incluir el manucristo. Se presentan los manucristos de los artículos publicados en las memorias del Annual Meeting of the Polymer Proccesing Society PPS 18 y Regional Meeting of the Polymer Proccesing Society PPS19, ya que razones ajenas a mi voluntad (financiamiento) no se pude asistir a este evento, y tener acceso a las memorias del mismo. Adicionalmente, cabe mencionar que excepto las publicaciones enviadas a Revistas Nacionales (Espacios, Revista de la Facultad de Ingeniería de la UCV, Revista Ciencia y Tecnología de la ULA) el resto de los soportes presentados están en el idioma inglés. 4

13 CAPITULO I Optimización del Diseño de Piezas Plásticas y Moldes mediante Herramientas Computacionales 5

14 INTRODUCCION Durante los últimos años, la industria del plástico ha desarrollado un sin fin de productos de diversas aplicaciones, muchos de ellos para sustituir piezas similares, tradicionalmente hechas de otros materiales. Esto ha implicado un arduo proceso de diseño que comienza, generalmente, con la creación de una nueva pieza, se continúa con el diseño del molde necesario para producirla, y debe finalizar con el moldeo de una pieza de calidad aceptable. La forma y la calidad de una pieza moldeada por inyección dependen en gran parte del molde empleado, así como de las propiedades físicas y mecánicas del polímero, de las condiciones de proceso empleadas para su manufactura (temperatura de inyección, presión de inyección, presión de compactación, velocidad de inyección, temperatura del molde, fuerza de cierre y tiempo de ciclo) y del diseño original de la pieza (espesor, cambios de sección, contracción, etc.). Sin embargo, el diseño del molde es crucial para la obtención de piezas satisfactorias. Anteriormente, el diseño de un molde de inyección era un proceso prácticamente artesanal, en el que se elaboraban prototipos que se corregían antes de hacer el mecanizado definitivo. Esto implicaba un largo y costoso procedimiento de ensayo y error. El diseño de piezas plásticas es un proceso de gran complejidad en el que el diseñador debe conocer tanto los requerimientos funcionales de la pieza, como las propiedades de los materiales plásticos y el proceso de transformación, así como las condiciones a las que estará sometida la pieza durante su vida en servicio. En general, el diseño de una pieza parte de una propuesta básica, junto con la elección de un determinado material. Posteriormente, debe seguirse una serie de etapas, que incluyen los pasos esenciales para obtener piezas de gran calidad, con las características deseadas. Este proceso comienza con la identificación de una necesidad, para luego proceder a definir el problema. Una vez que se ha definido el problema, el siguiente paso en el diseño es la síntesis de una solución óptima, pero esta síntesis no podrá efectuarse sin haber hecho el análisis y la optimización del sistema a diseñar, con el fin de determinar si su funcionamiento cumplirá las especificaciones. Finalmente, se lleva a cabo la evaluación y presentación del diseño. El diseño final de la pieza está determinado por las llamadas consideraciones de diseño, entre las que se pueden mencionar: medio ambiente, propiedades eléctricas, 6

15 propiedades químicas, propiedades mecánicas, aspecto, procesos de fabricación, contracción del material, y tolerancias. El moldeo de artículos con tolerancias de precisión exige una selección cuidadosa del material, siendo además más caras las herramientas para el moldeo de la pieza. En el moldeo por inyección de materiales termoplásticos se requieren moldes de gran calidad y de elevada duración. Usualmente estos moldes se fabrican de acero, pero también se emplean materiales no férricos y materiales no metálicos. El tipo de molde que se vaya a utilizar para fabricar una pieza determinada se elige dependiendo de las exigencias impuestas a la pieza fabricada, de los costos de fabricación del molde, del tiempo de ciclo y del número de piezas a fabricar. Los aceros que se emplean en la fabricación de moldes de inyección deben cumplir ciertas condiciones dependiendo de la pieza que se desea fabricar, así como también de los esfuerzos a los que estará sometido el molde. Algunas de las propiedades más importantes que deben reunir los aceros son las siguientes: buenas condiciones para su elaboración, facilidad para ser mecanizado, troquelado en frío y templado, buena resistencia a la abrasión, a la compresión y a la temperatura, facilidad para ser pulido, buena resistencia a la tracción, tenacidad y resiliencia, tratamiento térmico sencillo, y buena conductividad térmica. Se pueden realizar diferentes clasificaciones de los moldes, de acuerdo al número de piezas que se desean moldear, a su modo de operar o a sus características de construcción. Según la cantidad de cavidades, se tienen moldes simples o de múltiples cavidades, de acuerdo al número de piezas que se desee obtener. Cuando se utilizan moldes de múltiples cavidades, se determina la cantidad de cavidades posibles en función de la capacidad de inyección de la máquina, de la capacidad de plastificación o de la fuerza de cierre. También se pueden clasificar los moldes según sus características de construcción en: (a) moldes de dos platos, en los cuales los canales de alimentación, las entradas y las cavidades se mecanizan en un solo plato, (b) moldes de tres platos, en los que los canales de alimentación y las entradas se mecanizan en un plato diferente al que contiene las cavidades, (c) moldes con canales calientes, donde la colada siempre permanece a la temperatura del fundido, (d) moldes con canales aislados y (e) moldes especiales. En la actualidad, existen y se siguen desarrollando, una gran variedad de programas de Diseño Asistido por Computador, Ingeniería Asistida por Computador y Manufactura Asistida por Computador (CAD/CAE/CAM) que facilitan el diseño de piezas de gran complejidad y de moldes, así como también la simulación del proceso de manufactura, entre 7

16 los que se encuentran el proceso de inyección. Estos programas permiten al usuario obtener resultados muy cercanos a la realidad y también identificar posibles fallas en el diseño del molde o en las condiciones de procesamiento, antes de llevar a cabo el mecanizado del molde o el proceso de inyección, y de esta manera se pueden reducir costos y mejorar la calidad final del producto. Estos programas brindan un análisis integrado por medio de módulos iterativos que permiten realizar todas las etapas de un proceso de diseño simultáneamente. Esta forma de trabajo se conoce como el Método de Ingeniería Concurrente y permite el desarrollo de nuevos productos en muy corto tiempo. CAE es una de las herramientas más importantes, ya que puede ser usada para llevar a cabo experimentos numéricos con piezas prototipo. Junto con el diseño de experimento, éstas son herramientas muy útiles para reducir el número de experimentos y aún así obtener suficiente información. CAD y CAM también son herramientas ampliamente utilizadas para el cálculo y diseño de piezas plásticas. CAD permite dibujar rápidamente un diseño y modificarlo para mejorar la apariencia de la pieza, así como también su funcionalidad. CAM es útil para programación, control de calidad y otras operaciones asociadas con la fabricación del producto. Estas herramientas permiten realizar el diseño de la pieza, la selección del material y la configuración del proceso de fabricación con un mínimo de errores. Estos sistemas son capaces de perfeccionar el diseño de la pieza, mejorar considerablemente la productividad de la mano de obra, la competencia en el mercado, el rendimiento de capital, la innovación, la calidad y la rentabilidad. Los programas comerciales CAD/CAM trabajan con diferentes módulos que permiten describir todas las etapas del proceso de fabricación de un artículo terminado. Estos programas permiten hacer modificaciones en todas las fases del proyecto debido a su estructura de datos única que es totalmente paramétrica. La síntesis de diseño puede resumirse en tres etapas: combinar, analizar y optimizar. Mediante la primera fase se obtiene la forma de la pieza a través de la geometría, el montaje con interferencias y finalmente, la función con las correspondientes especificaciones. Con estos tres datos se hace un análisis mediante diseño mecánico para llegar finalmente al diseño optimizado. Estas herramientas cuentan con varios módulos que permiten no sólo diseñar diferentes piezas, sino también ensamblar varias piezas que conforman un sistema, presentar planos, diseñar moldes, etc. Estos programas proporcionan una representación exacta de la geometría, propiedades de masa y detección de interferencias. Además, proporcionan una asociatividad 8

17 completa entre todas las disciplinas de ingeniería, que permite que se propague cualquier cambio realizado durante el desarrollo de la pieza. Tienen la capacidad de generar mallas de elementos finitos de modelos sólidos y de paredes delgadas, permitiendo así la evaluación de diferentes configuraciones de modelos bajo diferentes condiciones una vez generada la malla. Proporcionan a los diseñadores de moldes para plásticos, herramientas de fácil uso para crear las cavidades y los machos del molde y documentar el conjunto del molde completo. Asimismo, generan automáticamente las placas del molde, los conductos de refrigeración, expulsores y superficies de partición. Adicionalmente, contienen procesos de fabricación de fresado, torneado y electroerosión, completamente asociativos, que se requieren para mecanizar cada pieza, y visualizan los resultados proporcionando al programador de Control Numérico una representación exacta de cada paso del proceso. Los programas del tipo CAE son utilizados para la simulación de procesos, y se basan en las tres principales áreas del moldeo: el diseño de la pieza, el diseño del molde y la producción. En el caso particular del moldeo por inyección, permiten diseñar el molde de inyección y simular el proceso completo de inyección de la pieza, proporcionando la información necesaria para prevenir fallas en la manufactura del molde o de la pieza a producir, así como también en las condiciones de procesamiento establecidas. Las simulaciones permiten reproducir virtualmente cualquier condición de procesamiento sin necesidad de emplear tiempo ni material. En una simulación, una selección inapropiada de las condiciones de moldeo genera cierta información pero no involucra costos. Además, las simulaciones ofrecen la opción de evaluar el efecto de los cambios efectuados en un solo parámetro, aislado de otros Estos programas no sólo realizan la simulación del llenado, postllenado y el enfriamiento durante el moldeo por inyección, sino también miden la contracción y el alabeo de piezas inyectadas, analizan el moldeo por coinyección, inyección asistida por gas, inyección reactiva, moldeo por soplado y termoformado. Estas herramientas proveen soluciones en todas las etapas del diseño y la manufactura, que permiten mejorar la productividad y la calidad de la pieza. En la actualidad, se fabrican diversas piezas y envases o contenedores, de los cuales sus moldes son elaborados fuera de Venezuela. Esto motivó a llevar a cabo la evaluación y diseño de diferentes piezas, así como también el diseño de los moldes de inyección necesarios para su fabricación, utilizando el Método de Ingeniería Concurrente, a través de herramientas computacionales del tipo CAD/CAE/CAM. En el artículo titulado A Mold Design Methodology by using CAD/CAM/CAE Tools. Experiences and Current Trends in 9

18 Venezuela (1) se presentan diversos ejemplos de piezas plásticas que fueron analizadas y diseñadas con las herramientas mencionadas. En todos los casos, la primera fase del proyecto consistió en la búsqueda de la información relacionada con la fabricación de las piezas y con el diseño y elaboración de moldes de inyección, en las cuales se obtuvo información acerca de los procesos y materiales empleados en la fabricación de los moldes, así como también de las dimensiones y características de los sistemas de alimentación y de refrigeración de los mismos, en base a la máquina de inyección seleccionada para la fabricación. Por otra parte, se conoció la capacidad de producción y la demanda mensuales, como producción inicial, para calcular el número de cavidades del molde para cubrir la producción estimada. Después de recopilar la información necesaria, se propusieron diseños para el molde de inyección: (a) un molde con postizos intercambiables, y (b) un moldes de múltiples cavidades para elaborar diferentes piezas a la vez. El modelaje de las piezas se realizó en programas modeladores de sólidos en 3D, tomando en cuenta la geometría y las dimensiones. Se analizó la resina con la cual están elaboradas las piezas. Después de seleccionar el material para fabricar la pieza, se procedió a escoger los aceros para elaborar todas las placas y los elementos del molde. Es importante tener en cuenta que los aceros utilizados en la construcción de moldes de inyección deben poseer ciertas propiedades, ya que estos moldes se encuentran sometidos a grandes esfuerzos y además, deben reproducir con exactitud las piezas plásticas con la forma deseada. Una vez seleccionados los aceros para la construcción del molde se escogió la máquina de inyección que se utilizaría para la producción. Para realizar las corridas en el programa de simulación, se seleccionó una máquina de inyección genérica de la base de datos del programa. Por último, otro aspecto importante que debe tomarse en cuenta es el enfriamiento del molde. Para ello se seleccionó como agente refrigerante el agua, por ser el más económico y proporcionar los requerimientos necesarios para lograr un enfriamiento óptimo del molde. Esta sustancia es capaz de disipar el calor emitido por la masa de polímero fundido que llena las cavidades del molde y de esta manera, se alcanza la temperatura adecuada en las paredes del molde. Por otra parte, el refrigerante también logra disipar la diferencia de calor entre la superficie exterior del molde y el ambiente, es decir, se produce un intercambio de calor. Lo que se busca finalmente es que la temperatura de extracción de la pieza no exceda el valor requerido para el material con el cual esté fabricada. Al momento de realizar las simulaciones, se dibujaron los sistemas de alimentación y de refrigeración, se asignaron las propiedades de cada uno y se realizó el mallado de los mismos. Finalmente, 10

19 se asignaron las condiciones iniciales requeridas para llevar a cabo la simulación del proceso de inyección, tales como: (a) la resina, (b) una máquina de inyección genérica, (c) el material del molde, (d) agua como agente refrigerante, (e) la velocidad del refrigerante, y (f) la ubicación del plano de partición. La siguiente etapa en el diseño del molde de inyección es la simulación del proceso de inyección. Esta simulación se realizó con la finalidad de evitar cualquier imperfecto que pudiera suceder durante la construcción del molde. Por otra parte, si se requiere de algún cambio en el diseño de la pieza, se evitan pruebas de previas producción, y de esta manera, se disminuyen los costos de materia prima, maquinaria y mano de obra, optimizándose el tiempo de producción. Para llevar a cabo la simulación, se estimaron los valores iniciales de los parámetros que permiten dar inicio a la simulación, entre los cuales están: la temperatura del fundido, la velocidad de inyección, las presiones de inyección y sostenida, y los tiempos de presión sostenida, de enfriamiento y de molde abierto. En todos los casos, fueron obtenidas piezas optimizadas con el diseño de su respectivo molde. Cuando se quiere evaluar la idea de un nuevo producto, se debe tener en cuenta como responderá el mercado ante ésta. Específicamente, se deberán determinar las necesidades y preferencias de compra, el tamaño y las posibilidades de crecimiento del mercado y las percepciones del producto en relación con los competidores. Los consumidores requieren de productos que logren satisfacer plenamente sus necesidades o solucionen sus problemas, y la única garantía de triunfar que tiene el diseñador es precisamente dar respuestas adecuadas y oportunas. Los clientes buscan productos mejorados o renovados, lo cual beneficia ano sólo a los individuos sino a la sociedad en general, por lo que la innovación es esencial para toda empresa e incluso para su desarrollo económico. Sin embargo, esto trae como consecuencia un riesgo ineludible para toda organización, tanto a nivel tecnológico como financiero y de mercadeo. Las estrategias que se adopten para lograr los objetivos se clasifican en dos categorías: las que mantienen su campo de acción en el mercado actual y las que se diseñan para entraren nuevos mercados. Debido a la probabilidad de fracaso de nuevos productos, y puesto que las consecuencias de este fracaso son importantes, la mayor parte de las organizaciones han desarrollado sistemas para gerenciar el proceso de desarrollo de nuevos productos. Todos los programas o procesos llevados a cabo coinciden en que nacen con el establecimiento de los objetivos buscados y estos deben estar relacionados con la planeación estratégica de la empresa. Es por ello que se utiliza la investigación de mercados para poder tener 11

20 información sobre las necesidades y preferencia de los consumidores. Este estudio debe realizarse bajo una planeación estricta, llevando a cabo paso por paso las diversas actividades preestablecidas de un proceso cronológico. Estas actividades son: detección de la necesidad de información, definición del objetivo, investigación preliminar en el sistema de información, creación de una necesidad de investigación, formulación de la hipótesis, requisición de investigación, investigación preliminar, revisión de fuentes primarias y secundarias, y planeación de la investigación. Por esta razón, se debe determinar quien puede suministrar la información, recurriendo a información existente o a partir de los consumidores, compradores, mayoristas y distribuidores, lo cual se hace a través del método de la encuesta, entrevista personal y método de observación. En base a estas consideraciones, en el artículo titulado La Gestión del Mercadeo como Importante Herramienta para la Optimización de Productos: Un Caso de Estudio (2), se presenta cómo se aplican las técnicas de mercadeo para lograr la optimización de un estuche comercial de disco compacto. En particular se utilizó el método de la encuesta a empresas fabricantes, así como a usuarios y distribuidores. Esto se hizo con la finalidad de evaluar previamente el producto actual para poder establecer las modificaciones en el diseño del producto y/o de sus moldes para obtener mejoras en la pieza. Gracias al estudio de mercado realizado, se puedo determinar qué era importante a la hora de la optimización del producto, ya que el estuche debe mantener sus dimensiones originales y mantener las restricciones impuestas en cuanto a la forma de los anaqueles y concepción original publicitaria. Estas modificaciones propuestas para la optimización se presentan en el artículo titulado CD Case Design using a Simulation Software for Injection Molding Processing (3). Para el diseño del molde de inyección, se siguió el mismo procedimiento mencionado anteriormente (1), considerando el material polimérico a utilizar, el material para fabricar el molde, y la máquina de inyección, ya que en base a los resultados del estudio de mercado, no puede modificarse la geometría de la pieza, particularmente su forma y dimensiones. Por esta razón, al igual que el original, el estuche propuesto debería contener tres piezas, considerando que las condiciones de inyección y sus características fueran lo más semejante posibles a la del original. Se modelaron en el programa modelador de sólidos en tres dimensiones y a partir de este modelo se obtuvo un mallado de plano medio, el cual describía la geometría de cada una de las piezas consideradas. Una vez definidas las características esenciales para la construcción del molde (sistema de alimentación, sistema de expulsión y sistema de enfriamiento), se procedió a realizar la simulación del proceso de inyección introduciendo los datos necesarios (resina, máquina de inyección, material del molde, 12

21 refrigerante y condiciones de proceso). Se analizó el estuche original, y en base a los resultados del máximo esfuerzo y formación de líneas de soldadura en áreas de la pieza que presentan falla en servicio, se propuso un estuche modificado, pero sólo considerando modificar zonas que no afectaran las dimensiones originales de la pieza. Por esta razón, sólo se modificó la ubicación del punto de inyección y la zona de la bisagra, encontrándose que los esfuerzos concentrados en estas áreas disminuyeron. Un análisis más profundo del comportamiento mecánico de esta pieza se estudia en el capítulo III. Una vez encontrada la pieza optimizada, se propuso un molde correspondiente para cada pieza, considerando el nuevo punto de inyección (ubicación, forma y dimensiones), en el programa modelador de sólidos en 3D, utilizando elementos normalizados, para poder crear los códigos de manufactura correspondientes necesarios para el centro de mecanizado de control numérico (CNC). Se procedió al desarrollo de un prototipo utilizando un método de prototipado rápido, particularmente la técnica de modelado por deposición fundida, el cual permitió definir todas las características finales de la pieza antes de diseñar el molde definitivo. Se construyeron las tres piezas que conforman el estuche por separado y luego se ensamblaron. Cabe mencionar que este fue el primer prototipo de una pieza plástica realizado en la Universidad Simón Bolívar, utilizando esta tecnología. En el artículo titulado Integración CAD/CAE/CAM/PR en la Optimización del Diseño de Productos Plásticos: Caso de Estudio (4) se muestran los pasos a seguir para la obtención de este prototipo. Siguiendo con el estudio de optimización de piezas comerciales, en el artículo titulado Mold Design Optimization for Security Caps Used in the Pharmaceutical Industry (5) y el artículo titulado Injection Family Molds Productivity using CAD/CAE Tools (6) se analiza una tapa comercial de uso farmacéutico y se propone un diseño optimizado de la misma, así como el diseño de su molde. La primera fase del proyecto consistió en la búsqueda de la información relacionada con la fabricación de este modelo de tapa en Venezuela, y seguidamente, se diseñó la pieza y su molde siguiendo la metodología mostrada en los estudios anteriores (1,3). Dado que esta pieza consta de dos partes, una pieza interna y otra pieza externa, se planteó el diseño de un molde de cuatro y ocho cavidades, para moldear cada pieza independientemente, así como un molde conocido como familiar en donde las dos piezas se producen en el mismo molde. Después de analizar en detalle las dos piezas que conforman la tapa se observó que el plano de partición se encontraba en la base, en ambas piezas. En el molde se fijó el plano de unión entre la placa portacavidades y la placa expulsora, por ser allí donde realmente se 13