REVISTA DE PLÁSTICOS MODERNOS, VOL. 100, NUMERO 651, NOVIEMBRE 2010 EDITADA POR EL C.S.I.C.

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1 REVISTA DE PLÁSTICOS MODERNOS, VOL. 100, NUMERO 651, NOVIEMBRE 2010 EDITADA POR EL C.S.I.C.

2 El diseño de moldes precisa una concepción integral D. Mercado, Fco. Serraller, J. Aisa, I. Clavería T.I.I.P. Taller de Inyección de la Industria de los Plásticos de la Universidad de Zaragoza, Unidad Asociada al C.S.I.C. C/ María de Luna 3, 50018, Zaragoza, España Tel: ; Fax: Correo electrónico: Resumen: inmersos en una crisis general que dificulta nuevos desarrollos y pone el punto de mira en los costes, el desarrollo de componentes por inyección queda condicionado por las elevadas inversiones necesarias para la fabricación del molde, además de los riesgos que supone un nuevo producto. El texto que aquí se presenta recuerda la necesidad de mirar un poco más allá, puesto que el ahorro está en un resultado final correcto mucho más que en un utillaje económico. Palabras clave: diseño de molde, inyección, concepción global Abstract: Economical situation makes the news parts development more and more difficult and fixes the focus in the part and process costs. In this context, new developments are strongly constrained due to high expenses required to make the mold and inherent risks associated with new product launch. This text remembers that it is necessary a further perspective because savings are in final and global results more than in a cheaper tooling Keywords: mold design, injection molding, global conception El corazón de la fabricación por inyección es, sin lugar a dudas, el molde. El utillaje supone no sólo el mayor desembolso económico (difícil decisión en un contexto general de crisis económica y falta de financiación), sino que además está íntimamente ligado al coste horario de fabricación y a la pieza desarrollada (molde y pieza son dos formas de ver una misma cavidad, en un caso vacía (en el molde, que es el contenedor de la cavidad) y en otro caso llena (la pieza final). Así pues es preciso cuidar cada detalle del desarrollo del molde, considerando las innovaciones que se pretendan sobre la funcionalidad de la pieza, su complejidad, su comportamiento a lo largo de la vida del producto, etc. En este texto se pretenden mostrar ejemplos de distintos aspectos contemplados en el diseño del molde a partir de los trabajos y experiencias del grupo universitario Taller de Inyección de la Industria de los Plásticos (T.I.I.P. Unidad Asociada al C.S.I.C.), para ayudar a la comprensión de algunas decisiones inherentes a cada nuevo molde. Debe ser un texto necesariamente

3 reducido, remitiendo al lector a textos especializados [1-5] para encontrar desarrollos más extensos sobre el diseño de moldes. Funciones a considerar en un molde de inyección La construcción de un molde comienza a partir del diseño de la pieza, de manera que sería preciso contar siempre con diseñadores con conocimientos suficientes sobre el proceso para el diseño de cualquier tipo de producto por inyección. La estética o las modas pueden dar al traste con el trabajo de semanas de un diseñador si no ha considerado la factibilidad del componente desde el punto de vista técnico y económico. Por ejemplo, la inclusión de una contrasalida en la pieza puede suponer un sobrecoste en el molde por encima del 20% con relación al mismo diseño libre de este elemento, siempre que se admita la presencia de pequeñas ventanas, como se muestra en la Figura 1 donde el clip se realiza con el movimiento de apertura principal. Figura 1: eliminación de una contrasalida para unión mediante engarces, la pieza quedará con una pequeña ventana [6] De la misma forma, el ciclo productivo de la pieza también debe optimizarse antes de lanzar el molde: dada la baja difusividad térmica de los materiales plásticos, un cálculo orientativo de la duración del ciclo de enfriamiento bajo condiciones de simetría que puede encontrase en [2] nos señala que este tiempo vendrá dado, en primera aproximación por la expresión: t enfriamiento 4.e 2 donde el tiempo de enfriamiento, t, viene expresado en segundos y el espesor, e, en milímetros. Obsérvese la dependencia al cuadrado del espesor, y para un cálculo del

4 tiempo de ciclo total, puede considerarse que el tiempo de enfriamiento supone de forma general la mitad del tiempo estimado de ciclo para muchas aplicaciones. Más allá de la pieza, el molde es un objeto de ingeniería complejo donde es necesario poner en juego conocimientos de diferentes disciplinas. A modo de resumen, podemos indicar al menos cuatro funciones que deben contemplarse en el anteproyecto de cualquier molde: a) Función estructural: el molde es, como se ha indicado, un contenedor de plástico fundido a presión, desarrollándose importante esfuerzos en su seno que obligan a un dimensionado bajo condiciones de fatiga (millones de ciclos en algunos casos) de las diferentes placas y elementos estructurales (guías, elementos de centrado, etc.) que lo componen b) Consideraciones cinemáticas: cómo y por donde se va a abrir (una única superficie de partición o varias) y cómo y por donde se va expulsar la pieza (secuencia de movimientos, esfuerzos en la expulsión, efecto sobre la pieza, etc.). En multitud de piezas, los movimientos relativos entre diferentes elementos constituyen casi un arte para permitir la extracción del componente. c) Intercambiador de calor: el molde de inyección de termoplásticos, el caso más general, recibe un importante aporte de calor desde el material que se introduce durante las fases de llenado y compactación que debe extraerse parcialmente para reducir la temperatura de la pieza por debajo de la temperatura de expulsión (sin afectar a la forma o aspecto del componente). De esta forma, todos los mecanismos de transferencia de calor de la Termodinámica clásica pueden ser puestos en juego. d) Función reológica o consideraciones a realizar para un correcto llenado del componente, es decir, relaciones existentes entre espesores, longitud de flujo, viscosidad del componente, parámetros del proceso y avance del material por el seno de la cavidad para posibilitar su completo llenado. Es, sin duda, la parte más característica y singular de la inyección, y ha centrado los esfuerzos de múltiples empresas por encontrar un software eficaz y fiable, existiendo en el mercado diferentes soluciones técnicamente solventes (software comercial: Moldflow posiblemente el más extendido, Moldex, Cadmould ). En [7] puede verse la forma de trabajo con este tipo de programas.

5 En cualquier caso, no pueden separarse estas cuatro funciones en compartimentos estancos, puesto que cada una de ellas afecta a todas las demás como ya documentó Fuentelsaz a principios de los años 90, siendo necesaria una metodología en el proceso de diseño [8]. La decisión de incluir una cámara caliente para facilitar el llenado de la pieza ( cambio en la función reologica ) supone un mayor esfuerzo sobre el molde en su intercambio térmico (con la inclusión de elementos aislantes entre la cámara y la pieza como pueden ser casquillos refrigerados en cada boquilla), pero también condiciona la configuración estructural del molde aumentando su tamaño y obligando a revisar casquillos y elementos de centrado. Un ejemplo aún más extremo sería la inyección de una pieza por el lado del punzón, llevando expulsión e inyección por el mismo semi-molde fijo. A continuación se presentan algunos ejemplos que ilustran, desde diferentes facetas del diseño de pieza y molde, esta interdependencia y conexión. Todos ellos han sido abordados en el T.I.I.P. en el seno de algún proyecto de investigación ligado a trabajos doctorales pero con un marcado interés industrial, como siempre ha sido filosofía del grupo. Función estructural Las presiones en la cavidad del molde de inyección alcanzan en la mayoría de los casos, valores por encima de los 500 bares en la cavidad, siempre más altos en la proximidad de los puntos de inyección. Este elevado valor supone una resultante de fuerza muy exigente sobre el contenedor metálico que es el molde, por lo que se debe considerar, como se ha indicado, sometido a cargas elevadas de fatiga tanto más importantes cuanto mayor sea el número de ciclos esperado en la vida útil del molde. Las distintas expresiones existentes en la bibliografía relativa a Diseño de Máquinas [9-11] lo ponen de manifiesto y fuerzan al uso de aceros de alta calidad limitando la posible inclusión otros materiales como las aleaciones de aluminio, de menores propiedades mecánicas, al campo de los moldes prototipo o para series cortas. En el caso de postizos o elementos sometidos a flexión, este problema se agudiza puesto que la flexión supone la solicitación más comprometida para el diseño mecánico, máxime cuando en el molde puede suponer adicionalmente un cambio en el espesor del componente que, retroalimentando el proceso, empeore más si cabe la situación [12].

6 La Figura 2 muestra un elemento de molde que trabaja en voladizo para posibilitar dos cavidades coaxiales en un depósito. Además de un desmoldeo complejo que viene asistido por cilindros hidráulicos (componente cinemática del problema), se aprecia con la evolución del sistema que el espesor de las paredes no es uniforme, comprometiendo la vida en servicio de la pieza de plástico. Figura 2: detalle de un depósito compartimentado mostrando la irregularidad en los espesores en la pared señalada. Analizado el proceso, se observa que debido a la posición del punto de entrada a pieza, el inserto que conforma este conducto se llena más fácilmente por una de sus caras, con un muy ligero desbalanceo en su contorno, simulado (ver Figura 3) mediante herramientas informáticas como C-Mold 1, pero generando una sobrepresión sobre el elemento metálico mostrado en la Figura 4. Figura 3: simulación del llenado del componente. El material avanza más rápidamente por la pared exterior (más gruesa) que por la interior (frente de flujo inclinado )

7 Figura 4: cálculo mecánico de la deflexión del postizo, condiciones de contorno Mediante un cálculo estructural con el software Pro-Mechanica de PTC, se evalúa esta carga a lo largo de toda la pared del postizo, observándose una deflexión de varias décimas de milímetro. Esta deflexión conlleva una nueva restricción al paso de material, por lo que el proceso se realimenta, sometiendo a mayor sobrepresión al postizo y motivando el cambio de espesores observado en la pieza inyectada. El trabajo sobre espesores y condiciones de inyección puede sólo paliar el problema, dado que la solución más robusta del problema pasa por un rediseño ajustando formas para dar mayor inercia al postizo sometido a flexión así como un cambio en los espesores de pieza y forma de llenado que limite el desbalanceo del flujo observado en el proceso. Consideraciones cinemáticas La realización de contrasalidas es uno de los aspectos clave en la concepción de la pieza y como consecuencia, del molde. No sólo es preciso asegurarse de la factibilidad inicial (que sea posible en el espacio ubicar los elementos precisos y que puedan moverse respecto a las placas de figura para que la pieza quede libre durante la expulsión) sino que se torna necesario la toma de decisiones sobre ubicación de los elementos de atemperación, tolerancias y ajustes asignados para el correcto funcionamiento durante los sucesivos movimientos y por supuesto, el cálculo de los valores de fuerza de agarre y fuerza de expulsión necesaria para su movimiento. Como ejemplo, se presenta un expulsor inclinado que libera una contrasalida interna que precisa deslizadera respecto a las placas de expulsión se muestra en la Figura 5, con algunas indicaciones aclaratorias:

8 Avance de las placas de expulsión de dirección Y Avance del expulsor lineal en dirección Y Direccion de avance de la cabeza&barra del expulsor inclinado Desplazamiento del sistema en dirección X Dirección X Dirección Y Figura 5: esquema de funcionamiento de un expulsor inclinado, figura base de Hasco Este expulsor inclinado es un ejemplo típico. Una inclinación más acusada del expulsor permite un movimiento con menor recorrido, pero supone un cambio en las fuerzas actuantes sobre el elemento móvil, que se pone de manifiesto mediante el análisis fotoelástico de una maqueta experimental plana [13], como se aprecia en la Figura 6. Figura 6: isocromáticas en el modelo plano de un expulsor inclinado para desmoldeo de una contrasalida interior Una comparativa numérica de los resultados obtenidos para dos inclinaciones diferentes, de 20 y 40º respectivamente, muestra a las claras la influencia de el ángulo considerado (véase la Tabla 1). α expulsor σ experimental (MPa) σ teórica (MPa) % desviación (superior); 17.9 (inferior) 15% (superior); 72 (inferior) 25% Tabla 1. Valores experimentales y teóricos de la tensión máxima a la que se encuentra sometido el expulsor

9 El molde como un intercambiador de calor Uno de los esfuerzos más persistentes de los autores se centra en la relevancia que para el proceso tiene el adecuado dimensionado del molde para la transferencia de calor, dándole la relevancia necesaria más allá de la terminología refrigeración del molde. Hablar de este concepto de enfriamiento deja fuera conceptos de gran actualidad hoy en día en el mercado de los nuevos procesos como pulse cooling, induction heating o conformal cooling. Los dos primeros, recogidos en [2] y que el lector podrá encontrar en diferentes documentos técnico-comerciales en la red, abordan el problema de la adecuación de la temperatura en el molde más allá de la rapidez en la evacuación del calor, puesto que ponen el énfasis en la importancia en sí misma de la temperatura del utillaje durante la fase de llenado. En efecto, en el proceso ideal, para favorecer la replicación más exacta posible de la superficie del utillaje debería conseguirse que el material plástico fluyese sobre una lámina caliente de molde, llenando cada pequeño detalle y de esta forma, copiando el acabado dado a la superficie del acero. Así, en la tecnología a impulsos esto se busca mediante el uso de vapor en la fase de llenado, para posteriormente reemplazar por agua fría durante la fase de enfriamiento, buscando un ciclo más rápido. Una ventaja adicional es la posibilidad de inyectar con espesores cada vez menores, puesto que la temperatura elevada del molde favorece el avance del frente de flujo. De forma semejante, otros procesos con este mismo fin utilizan bobinas de inducción para generar calor en la superficie del molde. En ambos casos, la aplicación práctica suele precisar, de forma adicional, la menor inercia térmica posible del molde, para reducir el consumo energético y además para no penalizar el proceso con tiempos adicionales. Es por ello que se debe plantear nuevamente un concepto global, al estar en cuestión la función estructural del molde antes presentada. En el caso del conformal cooling, se busca una geometría del sistema de atemperación (refrigeración) completamente adaptada a la geometría de la pieza, buscando el ajuste de los circuitos a la pieza como un guante a la mano. Esto es posible merced a las nuevas tecnologías de rapid manufacturing que utilizan el sinterizado selectivo por laser de metal en polvo [14]. Esta tecnología se encuentra ya disponible en nuestro país, a través del trabajo de la ASERM (Asociación Española de Rapid Manufacturing) que agrupa a diferentes centros tecnológicos en torno a nuevos métodos de fabricación

10 rápida. La aplicación a postizos e insertos profundos ha mostrado resultados muy favorables, siempre contando con un diseño estructural adecuado. En otro contexto, la optimización de los sistemas de atemperación precisa de un mayor conocimiento de las vías de evacuación del calor y las posibles resistencias térmicas presentes en el molde. Así, la consideración de la resistencia de contacto entre plástico y metal así como las deposiciones que tienen lugar en los circuitos de atemperación tienen un efecto que es apreciable sobre la temperatura superficial del molde y por ende, en la pieza [15]. La variación de los parámetros, que puede apreciarse en la Figura 7 es significativa para una pieza de espesor 2 mm como la mostrada y puede llegar a ser un freno de importancia en moldes con piezas de mayor espesor, estando este hecho aún en fase de investigación para concretar los valores obtenidos. Figura 7: efecto del ensuciamiento en sobre el tiempo preciso para alcanzar una misma temperatura de expulsión en la pieza (en rojo). El ciclo se incrementa a 1.6 segundos. Este efecto puede ahora estudiarse experimentalmente mediante las técnicas de medida de temperatura sin contacto, como la termografía de moldes mediante infrarrojos, pero la extrapolación de su uso al taller de fabricación no es todavía inmediata por la forma de la medida y el complejo entorno en el que debe realizarse (superficies brillantes enfrentadas, con diferentes fuentes de calor presentes y baja emisividad de las superficies objeto de estudio), véase la Figura 8.

11 Figura 8: imagen termográfica de un molde de gran tamaño, se aprecia el reflejo del operador en el molde entre dos puntos de inyección (más calientes) En el T.I.I.P. se trabaja en esta línea [15,16] y se han obtenido imágenes suficientemente significativas como para profundizar en el conocimiento y aplicación, como en la Figura 9, donde se aprecia el dibujo de los circuitos de atemperación en un molde visto con desde la óptica infrarroja. Figura 9: imagen de un molde de dos figuras tipo caja en la apertura. En la figura superior se aprecia el trazado en U del circuito en el postizo.. Diseño reológico del molde Este elemento es, sin duda, el más característico de todo el conjunto de actividades durante el diseño del molde, puesto que interviene de manera directa en la calidad final del componente. Defectos como rebabas, rechupes, alabeos, etc están directa o indirectamente relacionados [17, 18] con las decisiones que se tomen respecto a los espesores de pieza, posición y número de los puntos de inyección, tipo de entrada o

12 número de cavidades consideradas y esquema de distribución de las mismas en las placas de figura. No obstante, la experiencia acumulada de los moldistas permite desbrozar el camino en muchas ocasiones. Centrados en una tipología de pieza o en un tamaño de molde, las soluciones previamente experimentadas permiten trazar un recorrido que puede incluir pequeños ajustes sin cometer errores que supongan un retraso en la aceptación final del molde o en la puesta en producción del utillaje. Por ello, en muchas ocasiones sería superfluo el cálculo asistido por ordenador, aunque nunca dejemos de recordar que no hay dos moldes iguales y que, por lo tanto, siempre estamos ante un conjunto único, un prototipo en el sentido técnico del término. Es en los nuevos procesos donde, ante la complejidad añadida que supone una tecnología en desarrollo o que busca nuevas posibilidades de aplicación (como la inyección bimateria o la inyección sobre film o tela), las herramientas de de simulación mejor despliegan su elemento más característico: permitir ver lo que sucede dentro del molde. Para ello no basta con unas imágenes que justifiquen una decisión o que permitan ver el valor de la presión máxima necesaria, hay que ir más allá y analizar qué implicaciones puede tener para el proceso, la calidad de la pieza final, etc. En la actualidad los algoritmos predicen no sólo la forma del llenado y la fuerza de cierre esperada en el proceso, sino la tendencia de deformación, ubicación de puntos con temperatura elevada en la herramienta y fuentes de diferencias en el brillo de la pieza final, etc. Desde el T.I.I.P. Unidad Asociada al CSIC se han llevado a cabo diferentes estudios para caracterizar procesos emergentes [19-22], tanto experimentalmente como a través de la simulación, posibilitando el desarrollo exitoso de nuevos componentes. Sólo por citar dos ejemplos se presenta la inyección secuencial y la inyección asistida con gas. La ubicación de los puntos de inyección cuando se pretende utilizar la llamada inyección secuencial no obedece a los mismos postulados que en el proceso convencional: la posición de las entradas para obtener una presión cierre menor cambia respecto a la tecnología convencional como se indica en [23] tomando como ejemplo una luminaria de policarbonato, resultando comprensible puesto que el concepto de mismo recorrido desde cada punto de inyección se ve sustituido por una misma longitud de flujo desde cada nueva puerta que se abre. Así sucede para una moldura de piel de paragolpes, como se ve en la Figura 10.

13 Figura 10: presión al final del llenado con inyección secuencial en un molde con dos molduras de paragolpes, simulado con C-Mold 1 En este punto, es importante recalcar que la tecnología permite reducir la presión en el utillaje sin provocar líneas de soldadura pudiendo colocar mayor número de puntos de entrada (con el correspondiente coste adicional del sistema de canales calientes) e incluso, según cómo se coloquen los puntos de inyección, puede suponer mayor fuerza de cierre. En cualquier caso, supone una importante ventaja para las propiedades mecánicas de la pieza dada la debilidad que suponen las líneas de unión [24]. En el caso de la inyección asistida con gas, ayuda enormemente al diseñador la posibilidad de dimensionar sobraderos y espesores [19] para crear directores de flujo cuando se introduce el gas, vaciando la pieza en las zonas más gruesas. La Figura 11 ilustra este uso. Figura 11: simulación de un componente inyectado con gas, en rojo, sólo plástico, en azul las zonas de mayor penetración del gas [25]

14 Las nuevas estrategias de mallado 3D permiten mejorar notablemente la visión de la penetración del gas en el volumen de la cavidad, aspecto básico para el control del proceso y poder dejar de lado problemas de rechazo asociados a la dificultad de control en la difusión del gas en la pieza. Un adecuado trabajo conjunto de diseñadores y transformadores puede utilizar todas estas herramientas y crear nuevos componentes con valor añadido y tecnológicamente avanzados, que permitan mejorar la competitividad del sector en el mercado internacional, donde ya tiene un merecido prestigio en cuanto al trabajo de manufactura de materiales plásticos. Sin duda el camino presenta dificultades y retos, pero el conocimiento de los procesos y conceptos implicados es la mejor forma de enfrentar estos problemas. En esta vía de mejora y esfuerzo conjunto siempre encontrarán los emprendedores la ayuda y complicidad del grupo T.I.I.P. asentado en la Universidad de Zaragoza. Nota 1: C-Mold, programa comercial de simulación adquirido por Moldflow e integrado ahora en su software de inyección. Referencias: [1] G. Menges, P. Mohren, How to make injection molds, Ed. Hanser [2] Kazmer, D. O. Injection mold design engineering, Ed. Hanser, [3] Gastrow, H. Injection molds, Ed. Hanser, 1983 [4] Dym, J.B. Injection molds and molding, Ed. Chapman&Hall, [5] Sors, L., Balazs, I. Design of plastic moulds and dies, Ed. Elsevier, [6] Ticona, Designing with plastics: the fundamentals, [7] Shoemaker, J. Moldflow design guide, Ed. Hanser, [8] Fuentelsaz, J. Metodología para el diseño de piezas de plástico, tesis doctoral, Universidad de Zaragoza, [9] Castany, J., Fernández, A., Serraller, F. Principios de diseño en el proyecto de máquinas, Prensas Universitarias de Zaragoza, [10] Castany, J., Javierre, C., Criterios de diseño de máquinas y sus elementos, Prensas Universitarias de Zaragoza, [11] Shigley, J. E. Diseño en Ingeniería Mecánica, Ed. McGraw-Hill, [12] Aisa, J. et al, Relaciones existentes entre diseño reológico y mecánico en moldes de inyección de termoplásticos, XVI Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, León [13] Castany. J. et al, Análisis del comportamiento mecánico de expulsores inclinados en moldes de inyección, XVII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Gijón, 2008.

15 [14] Fernández et al. Tecnologías de Rapid Manufacturing, Jornada sobre Rapid- Manufacturing, Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica CIBIM09, Las Palmas de Gran Canaria, [15] Aisa, J. et al Diseño y control del sistema de atemperación en moldes de inyección, XVII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Gijón [16] Pérez, C. Metodología de medida de temperatura superficial en moldes de inyección mediante termografía, Proyecto final de carrera, CPS Universidad de Zaragoza, [17] Gordon, M.,J., Industrial Design of Plastic Products, Ed. Wiley-Interscience, [18] Belofsky, H., Plastics: Product Design and Process Engineering Ed. Hanser/Gardner, [19] Castany J., Serraller, F., Clavería, I., Javierre, C.,, Metodology in gas assisted moulding of plastics, J. Mat. Proc. Tech, vol. 143, [20] Aísa, J., Estudio experimental de la inyección secuencial de termoplásticos, Tesis Doctoral, Universidad de Zaragoza, [21] Schumulling, R, Influencia de los parámetros del proceso de inyección en las tensiones residuales de piezas de plástico concentradas en las líneas de soldadura, Tesis Doctoral, Universidad de Zaragoza, [22] Martinez, A., Análisis de la fenomenología de inyección en condiciones asimétricas tipo IMD: Modelos viscosos para su simulación, Tesis Doctoral, Universidad de Zaragoza, [23] Javierre, C. Fernández, A., Aisa, J., Claveria, I., Criteria on feeding system design: conventional and sequential injection molding, J. Mat. Proc. Tech., vol. 171, [24] Aisa, J., Castany, J., Fernández, A, Inyección secuencial de termoplásticos: estudio de las propiedades mecánicas de las piezas y su comparación con las moldeadas mediante inyección convencional, Plásticos Modernos, vol. 87, [25] Castany et al. Caracterización de procesos en inyección de termoplásticos, IX Reunión del Grupo Especializado de Polímeros, Jaca, 2005.