Manufactura avanzada de moldes de inyección

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1 46 PROCESOS Manufactura avanzada de moldes de inyección Dr. Ing. *Miguel Garzón PM Tec Engineering Cortesía: Haidlmair GmbH - Solución de producción en masa para el futuro. Hoy la tendencia en la fabricación de productos plásticos se centra en la disminución del peso de la pieza, a partir del diseño de paredes más delgadas, y el aumento de la resistencia de los materiales con fibras de refuerzo. Estos factores generan retos especiales para el diseño y la manufactura de moldes de inyección, los cuales pueden superarse mediante el conocimiento del comportamiento de los plásticos, y del efecto que tiene la inyección sobre el molde. Según datos de la Organización de las Naciones Unidas (ONU), en 2050 el mundo tendrá cerca de nueve mil millones de habitantes; el mayor crecimiento demográfico será en Asia, África y en América Latina, lugares donde también es evidente una mayor tasa de crecimiento económico y un aumento del poder adquisitivo de los ciudadanos; especialmente, en las llamadas economías emergentes, con respecto a los países considerados como potencias mundiales. La suma de estos hechos no solo ha generado el crecimiento del número de consumidores en el mundo, también han cambiado los hábitos y exigencias de los clientes. Hoy, el mercado tiene consumidores más racionales, exigentes y ahorradores, cuyo interés

2 PROCESOS 47 está determinado por los espacios que habita (cada vez más minimalistas), la preocupación por la salud y el bienestar, el medioambiente y sus finanzas, entre otros factores. Cumplir con una demanda global, cada vez más uniforme bajo los niveles de los países desarrollados, desestabilizaría, de manera catastrófica, el flujo de los recursos naturales necesarios para la fabricación de los productos. La manufactura sostenible de productos en masa, en la que se utilice una menor cantidad de material y que, a su vez, emplee menos energía, tanto para la fabricación de las materias primas como de los productos en sí mismos, es una de las posibles soluciones a este dilema. Piezas plásticas inyectadas con refuerzos de fibra. Foto: Por estas razones, el proceso de moldeo por inyección de plásticos se presenta como una de las alternativas más viables para alimentar la futura demanda global de productos de todo tipo, acorde con la producción en masa de productos sostenibles, ligeros y, cada vez, con mayor complejidad. Las tendencias de la producción de piezas inyectadas se dirigen hacia los nuevos intereses del consumidor. Las partes producidas por este método El costo de la mala calidad (CoPQ) tienen paredes más delgadas y, un porcentaje cada vez más grande de su volumen, en fibras de refuerzo. Ambos aspectos buscan reducir peso, sin sacrificar las propiedades de resistencia mecánica. No obstante, las nuevas tendencias de la inyección de plásticos representan grandes desafíos para los molderos, que de no ser enfrentadas adecuadamente pueden ocasionar graves consecuencias para este sector. El costo de la mala calidad, CoPQ por su abreviatura en inglés del concepto Cost of Poor Quality es la suma de los costos generados por las fallas en el proceso de manufactura de los productos suministrados por una empresa. Estos costos se pueden dividir en costos internos y externos. Los costos internos se refieren a los gastos que genera a la compañía por errores que se detectan antes de que el producto haya llegado a manos del cliente. Los costos externos, en cambio, son todos aquellos esfuerzos realizados para devolverle al cliente un producto conforme a sus expectativas. Entre los costos internos se encuentran los recursos invertidos por una empresa en la generación y disposición de desechos y piezas inservibles; la producción de retal; los costos de inspección; pruebas; rediseño y remanufactura o reparación no planeada de piezas, entre otros valores. Por otro lado, ejemplos de costos externos pueden incluir los gastos causados por devoluciones de productos por garantía, entre los que se encuentran el reenvío, reempaque, bodegaje y logística. Naturalmente, se deben incluir los gastos generados por el reemplazo de piezas defectuosas, e incluso el valor generado por posibles demandas, debido a una eventual no conformidad contractual. Sin embargo, los expertos aseguran que los costos descritos anteriormente son solo la punta del iceberg y que estos esconden una serie de gastos mayores de difícil cuantificación y predicción. Dentro de los valores ocultos se encuentran los costos asociados con la potencial pérdida de contratos futuros por parte del cliente, debido a la no conformidad: la pérdida de su fidelidad; y, lo que sería aún más crítico, que el cliente informe a otros potenciales compradores, e incluso a consorcios enteros, sobre los hechos. Esto termina por afectar la imagen corporativa de la empresa en grandes escalas. Como lo expresa un dicho popular: no existe una segunda oportunidad para dar una primera buena impresión. Por ello, es importante aplicar con más ahínco, en países como Colombia, el concepto del Costo de la Mala Calidad, conocido por su abreviatura en inglés CoPQ (Cost of Poor Quality), el cual puede ayudar a crear conciencia en los industriales, sobre los inmensos gastos generados por sus empresas al no fabricar productos con la calidad adecuada en la primera oportunidad (véase el cuadro: El costo de la mala calidad, CoPQ). Las empresas deberían invertir no solo en maquinaria e insumos para garantizar buenos resultados, también es importante realizar inversiones en la capacitación del personal responsable del diseño, fabricación y entrega de los productos a los clientes finales. Igualmente, invertir en el conocimiento detallado, no solo de los de procesos de manufactura para la fabricación del molde, sino además en el conocimiento de la inyección de la pieza plástica. El siguiente artículo explica los retos existentes, y las soluciones que en la actualidad están a la mano, para diseñar y fabricar los moldes en los que se formaran las piezas inyectadas de mayor demanda a corto y mediano plazo, según las nuevas tendencias del consumo a nivel mundial.

3 48 PROCESOS Fuente: J. Cayer-Carrioz et. al., P. Boey et. al., SIGMA Engineering GmbH Polímeros con fibras de refuerzo Como se mencionó anteriormente, el uso de polímeros en el moldeo por inyección, cargados con fibras de refuerzo, de materiales abrasivos como vidrio y carbono, es una tendencia en aumento. Estos rellenos, que en partes automotrices hoy en día alcanzan hasta un 60 % en volumen, generan un alto desgaste en los sistemas de alimentación y distribución (gates y runners) de los moldes de inyección de plásticos; desgaste que además se incrementa por las altas tasas de corte impuestas por el flujo del plástico, dentro de cavidades cada vez más delgadas. Para contrarrestar dichos efectos es necesario incrementar la dureza de los materiales para moldes, e incluso usar recubrimientos duros adicionales. Los efectos abrasivos de estos polímeros cargados pueden llegar a generar de manera temprana redondeo en los bordes de las geometrías claves en las cavidades del molde, remover estructuras superficiales de decorado, y promover desgaste corrosivo en la superficie de los materiales, (véase la figura 1). Las capacidades de predicción del comportamiento del flujo de los materiales de relleno, en un programa de simulación, durante la inyección del polímero, pueden ser aprovechadas para determinar los puntos exactos en el molde donde se encuentran las mayores tasas de corte (generadoras de desgaste), y las secciones por donde fluyen las fibras a mayor velocidad, en cercanía a la superficie del molde. Con el fin de determinar las áreas que deberían tener una mayor resistencia a la abrasión. De esta manera, es posible conocer, desde el diseño mismo del molde, si es necesario ordenar un recubrimiento superficial total de las cavidades, o si este solamente se requiere en áreas determinadas, lo que representa un ahorro en los costos de fabricación. Actualmente, existen herramientas de simulación avanzada, que no solamente predicen el comportamiento de llenado o balanceo de canales sino Figura 1. Desgaste del molde producido por plásticos reforzados con fibras Marcas de abrasión causada por fibras de relleno Dirección de deslizamiento Surco de desgaste Surcos de desgaste abrasivo Fibrilaciones Simulación de distribución de fibras de relleno que van mucho más allá, e incluyen el análisis de todos los componentes del molde. Una de las herramientas más avanzadas, en este sentido, es el paquete Sigmasoft, producido en Alemania y disponible en Colombia; el uso de modelos hidrodinámicos como los de Navier-Stokes le dan la capacidad a este software de calcular en tres dimensiones, de manera precisa, el comportamiento del polímero fundido a medida que fluye dentro de las cavidades, teniendo en cuenta el efecto térmico transiente 1 de todos los componentes de la herramienta de moldeo. Incluso es capaz de predecir el comportamiento del flujo del polímero durante el llenado del molde con la inclusión de fibras de refuerzo, y con la influencia que tiene la orientación de las fibras sobre la viscosidad del plástico fundido en la fase de llenado. La simulación de un proceso de inyección de una pieza termoplástica; cargada con material de refuerzo, en la que puede verse la distribución y direccionamiento de las fibras del material durante el llenado del molde, permite predecir los puntos de mayor desgaste abrasivo para elegir el material de los canales y las cavidades. Esto ayuda a determinar en qué áreas aplicar los recubrimientos selectivos, generados por procesos de soldadura o de láser, como opción a los procesos de endurecimiento superficial, más conocidos en la industria nacional como la nitrurización o el carburizado. Esfuerzos sobre el molde Las herramientas avanzadas de simulación son fundamentales a la hora de tomar decisiones durante el diseño del molde, desde el punto de vista de su manufactura y para determinar las propiedades mecánicas de los materiales que lo componen. Por ejemplo, con los nuevos programas es posible determinar los esfuerzos que le genera el proceso de inyección de una pieza termoplástica al molde durante el llenado o durante

4 su enfriamiento al contraerse. Esto permite conocer en detalle si existen insertos en el molde que puedan estar flexionados o pandeados durante el proceso, y requieran ser diseñados de otra manera, para permitir un moldeado preciso y lograr la expulsión sin problemas de la pieza. El análisis se realiza junto con un cálculo de esfuerzos que tenga en cuenta las posibles zonas del molde mecánicamente debilitadas por los canales de atemperamiento. De esta forma, se puede obtener información para tomar decisiones sólidas de diseño, antes de haber cortado el primer centímetro cúbico de material para el molde y permite, no solo, ahorrar costosas devoluciones y reprocesamientos del molde, sino aumentar el valor agregado de los servicios del moldeador para ganar credibilidad y reproducibilidad de sus servicios Otra funcionalidad adicional de los programas de simulación especializados es el cálculo de la fuerza necesaria para expulsar la pieza plástica fuera del molde. Esta predicción depende, entre otros, de los ángulos de desmoldeo determinados durante el diseño de la herramienta, y de un parámetro experimental determinado por la rugosidad superficial de las paredes del molde. Basados en esto, los ingenieros de producción, dedicados a la fabricación de moldes, pueden optimizar los parámetros de corte y las herramientas que usan en sus procesos de manufactura, para lograr diferentes características, dado que así determinan con exactitud las tolerancias y necesidades de calidad superficial con los que se deberían fabricar los elementos críticos del molde. Más aún, es posible diseñar de manera óptima la localización de los expulsores, con el fin de disminuir los esfuerzos generados por los pines de expulsión sobre las piezas plásticas. Hou-710-Metal Actual.indd 1 1/14/14 8:40:15 AM El reto de la manufactura aditiva De todas las características que intervienen en el diseño de un molde para inyección de plásticos; sin duda, una de las más determinantes es el diseño de los canales de atemperamiento; especialmente, cuando se trata de disminuir tiempos de ciclo de inyección. Foto: Sigma Engineering G mblt El cálculo de presiones de contacto permite identificar sobre esfuerzos en la pieza o en las partes del molde durante su contracción o expulsión. Esto permite diseñar correctamente los ángulos de desmoldeo y la fuerza y localización de pines de expulsión, entre otros.

5 50 PROCESOS Fuente: Renishaw, Concept Laser, ETMM Alimentación de polvos Figura 2. Manufactura aditiva de insertos para moldes Concepto de funcionamiento de sinterización selectiva por láser Rodillo Fuente Láser El continuo desarrollo de técnicas de manufactura aditiva proceso en el que se añade material capa por capa, a partir de un modelo CAD en 3 dimensiones, como el sinterizado selectivo por láser de polvos metálicos aumenta de manera significativa las posibilidades de generar canales de atemperamiento cercanos al contorno de piezas plásticas de gran complejidad (véase la figura 2). El proceso de manufactura aditiva por sinterizado selectivo de polvos metálicos ofrece amplias ventajas con respecto a los procesos tradicionales, tales como: un bajo desperdicio de material, la reducción de costos en herramientas y el incremento en la libertad de diseño geométrico de las piezas. Los valores relativamente bajos en calidad superficial son algunos limitantes de este proceso, por lo que se hace imprescindible realizar el acabado final por fresado, rectificado o por electroerosión. Adicionalmente, es importante prever las bajas tasas de deposición del material y Escáner Pieza a fabricar Pistón de entrega de polvos Pistón de fabricación Canales de enfriamiento de contorno en insertos para molde fabricados por sinterización selectiva por láser la posibilidad de generación de esfuerzos residuales internos, de tipo térmico, que suelen causar deformaciones en las piezas. Por estas razones, las tendencias actuales de la fabricación de moldes se dirigen hacia el procesamiento combinado de los insertos. En dichos procesos se usan piezas prefresadas o preelectroerosionadas, a las que se les adiciona material, solo en las zonas que geométricamente son imposibles de fabricar por métodos tradicionales de corte. El uso de insertos para moldes fabricados por métodos de manufactura aditiva, con canales de enfriamiento cercanos al contorno, puede ofrecer una reducción de tiempo de ciclo de hasta un 40 %, según reportes de empresas que han comenzado a aprovechar estas tecnologías. Los canales de contorno contribuyen también a reducir el consumo energético en los sistemas de atemperamiento del líquido de refrigeración; debido a que, la ganancia en eficiencia de transferencia de calor, se traduce tanto en la disminución de la diferencia de temperatura, necesaria entre el líquido refrigerante y las paredes del molde, como en la reducción en el caudal de fluido. Un estudio técnico-económico le permite a las empresas fabricantes de moldes y de piezas plásticas reconocer cómo el enfriamiento de contorno en una parte del molde genera suficientes ganancias por Figura 3. Simulación de encogimiento y distorsión causada por enfriamiento inhomogeneo de las piezas en el molde Encogimiento y distorsión geométrica calculada tras la expulsión de la pieza (Distorsión presentada con factor 10X) Fuente: SIGMA Engineering GmbH

6 PROCESOS 51 pieza, que la inversión retorna muchas veces desde el primer año de funcionamiento. No obstante, el objetivo final de la producción no solo debería ser la obtención de un atemperamiento rápido de la pieza, para lograr su pronta solidificación, y expulsión en el menor tiempo posible; la meta también debe ser obtener un porcentaje de cristalización uniforme y evitar la generación de esfuerzos residuales en la pieza, ya que estos causan deformaciones cuando esta ya ha sido expulsada (véase la figura 3). Gráfico: kalypso INC, Sigma Engineering Gmbit Manufactura de insertos en aleaciones de cobre Una forma alternativa, o incluso complementaria, de asegurar el incremento de la tasa de transferencia de calor entre el polímero fundido y el fluido de atemperamiento, es mediante el uso de insertos en aleaciones de cobre. Este tipo de materiales se usan incluso para remover calor generado por las altas tasas de esfuerzo cortante causado por la velocidad de movimiento del polímero fundido a través de los canales en el molde. Las aleaciones de cobre más utilizadas en estas aplicaciones son las de cobre-berilio (máx. 2 vol.% Be) y las de cobre-níquel (máx. 7 vol.% Ni). Estos materiales alcanzan un valor de dureza relativamente alto, de hasta 39 HRC, y pueden ser recubiertos adicionalmente, en caso de necesitar un mayor tiempo de vida útil, o para mejorar su capacidad de desmoldeo y de antiadherencia del material plástico, mediante la reducción de los coeficientes de fricción y alteración de la tensión superficial. De esta manera puede reducirse el tiempo entre mantenimientos y limpiezas del molde. La resistencia a la corrosión de estos materiales es excelente, al igual que su coeficiente de conductividad térmica que, según su composición exacta, puede alcanzar hasta ocho veces el valor de un acero común para la fabricación de moldes como el DIN El diseño y simulación de canales de enfriamiento de contorno permite un aumento en la productividad de hasta un 40 % en los procesos de inyección de plásticos. Una característica interesante de este tipo de materiales, es que su conductividad térmica se incrementa hasta en un 20 % con el incremento de temperatura en el molde pasando de temperatura ambiente a cerca de 80 C. Lo cual ayuda a eliminar calor a una tasa mayor, mientras más caliente esté la pieza. La aleación de cobre-berilio más comúnmente usada (CeBe2) puede pulirse o ser estructurada por ataque químico en su superficie, para dar los acabados necesarios en las piezas plásticas requeridos por diseño. Precisamente, estas propiedades térmicas hacen que este tipo de aleaciones requieran estrategias especiales de maquinado y/o de electroerosionado. El corte estas aleaciones es recomendable realizarlo con herramientas de carburo de tungsteno, de tipo K10 o K20 para torneado y P10 o P20 para fresado, con ángulos de incidencia de 6 a 8 ; además hay que cuidar que la viruta tenga un espesor elevado para evitar su adhesión en el borde de corte. En el caso del EDM, se aconseja usualmente utilizar electrodos cobre-tungsteno o de grafito infiltrado con cobre. No obstante, debido a la disponibilidad de estos materiales, se ha generalizado el uso de grafito de grano fino y se recomienda cambiar la polaridad de los electrodos durante el maquinado, para evitar el desgaste acelerado de los mismos. Sin embargo, la optimización de cada proceso para obtener de manera óptima las rugosidades superficiales esperadas, con tiempos de maquinado aceptables, deben ser estudiadas en detalle, para evitar erosionar con frecuencias de descarga poco prácticas que eleven la posibilidad de aumento de desgaste y disminuyan la tasa de remoción de material. En ciertos casos incluso, se puede recomendar el uso de aleaciones de cobre como electrodo, en cuyo caso, se puede maquinar utilizando las tecnologías dispuestas en la electroerosionadora para maquinado de Cu-Cu.

7 52 PROCESOS Productos más esbeltos, cavidades más estrechas El moldeo de estas costillas se logra a partir de cavidades de muy alta relación de aspecto en los moldes de inyección. La fabricación de estas cavidades tiene limitantes en cuanto a la escogencia de las herramientas de fresado, cuya relación máxima entre el diámetro y el largo útil del vástago es comercialmente de 1:20. Bajo estas condiciones geométricas, sumadas al hecho de que continuamente se incrementa la dureza de los aceros para moldes, con el fin de aumentar su vida de servicio, las tasas de corte en el fresado bajan a niveles económicamente poco viables (0,2 0,3 mm 3 /min). Para contrarrestar estos efectos, conviene tomar en cuenta algunas estrategias para el fresado como la escogencia de herramientas con un ángulo de corte lo más pequeño posible, para así disminuir las fuerzas de corte y reducir la posibilidad de flexión y falla de la fresa. Otra estrategia a seguir es la programación de un movimiento trocoidal de la herramienta para el corte de la cavidad esbelta, esto reduce las profundidades de corte y genera más espacio para la evacuación de la viruta, lo cual permite avanzar a mayor velocidad. Aún más, la disminución en la profundidad de corte disminuye las fuerzas ejercidas tanto en la herramienta como en la pieza misma. Al tratarse de aceros de durezas cada vez mayores, una reducción en las fuerzas de corte evita la fractura indeseada de los bordes de la cavidad, que ocurre por la reducción en tenacidad del material endurecido. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el ancho de la ranura obtenida es mayor que el diámetro de la herramienta debido al movimiento en espiral del cabezal. Ya que las ranuras en los moldes de pared delgada pueden ser menores a 0,8 mm, el operario debería elegir herramientas de diámetros por debajo de 0,5 mm 0,6 mm. Comercialmente pueden encontrarse fresadoras hasta de 0,1 mm; a pesar de todo, la profundidad de penetración máxima de una herramienta de este tamaño es de 2 mm. Si la profundidad de la cavidad diseñada en el molde es mayor a este valor, el moldero debería utilizar procesos como la electroerosión (EDM) de penetración con electrodos de alta relación de aspecto 2. Para este fin, conviene instaurar en los talleres de fabricación de moldes un proceso adecuado para la manufactura de electrodos por medio de fresado de alta calidad. Los electrodos de alta relación de aspecto se fabrican generalmente de grafito, debido a que sus propiedades mecánicas les permiten mantener tolerancias dimensionales y de forma más estrechas que los electrodos de cobre. La alta ductilidad del cobre aumenta el riesgo de flexión y deformación plástica de los electrodos más esbeltos, durante su manufactura; y con esto, el riesgo de usar una geometría incorrecta en el proceso de EDM y generar una cavidad defectuosa. En resumen, la industria presenta una serie de retos y soluciones para los diseñadores y fabricantes de moldes de inyección, basadas en las tendencias actuales para la demanda a corto y mediano plazo de piezas plásticas. Por ello, es evidente la necesidad asegurar un conocimiento completo, no sólo de la fabricación de la Foto: Fresas y electrodos para la fabricación de cavidades esbeltas.

8 herramienta, sino también de la influencia del proceso de inyección en las partes del molde, con el fin de conseguir el diseño correcto y una fabricación de alta calidad desde el primer intento. Solo así la industria nacional logrará cumplir con las exigencias que le depara el panorama económico mundial. Citas 1) Efecto térmico transiente: Término utilizado para describir un efecto térmico que cambia con el tiempo. El diseñador no puede asumir, por ejemplo, que la temperatura del molde es constante durante todo el proceso de inyección (como lo muestran los programas de simulación simples), o que la temperatura del fluido de enfriamiento es constante. La temperatura en todos los elementos del molde cambia, ciclo a ciclo de inyección, e incluso durante un mismo ciclo hay grandes variaciones. 2) Garzón, M., Analysis of Discharge Forces on Sinking EDM with High Aspect Ratio Electrodes Electrodes, Aprimus Verlag, ISBN: EL AUTOR Miguel Garzón culminó su doctorado en ingeniería en el Instituto de Máquinas Herramienta e Ingeniería de Producción, WZL de la Universidad RWTH en Aachen (Aquisgrán), Alemania. Es el actual director de procesos de manufactura de la firma PM Tec Engineering y trabajó como asistente de investigación y coordinador de servicios para la industria en el centro Dr. Ing. Miguel Garzón de investigación en propiedades y estructura de los materiales - CIPEM de la Universidad de los Andes. Su experiencia industrial incluye trabajos para importantes multinacionales de la industria del petróleo, en áreas de mantenimiento, análisis de falla, al igual que monitoreo y adquisición de datos de perforación. Actualmente, junto a sus actividades industriales, trabaja como profesor de cátedra en la Universidad de Los Andes para el pregrado y la maestría del departamento de Ingeniería Mecánica. mgarzon@pm-tec.co