FABRICACIÓN DE PERFILES DE PVC MEDIANTE MATRICES DE EXTRUSIÓN.

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Se plantea la necesidad de fabricar mediante extrusión una serie de perfiles de PVC con la sección representada en la figura. Para ello, se pide: 1. Definir geométricamente el conjunto de útiles referidos. 2. Elegir la gama de materiales con los que se realizará el útil. 3. Sabiendo que se necesitarán tres unidades, elegir y describir el proceso idóneo de fabricación del útil enumerando detalladamente las diferentes fases así como los elementos necesarios para su obtención. Cuando sea necesario, indicar la geometría de las trayectorias de las herramientas (movimiento relativo herramienta-pieza) requeridas.

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1. Definir geométricamente el conjunto de útiles referidos. La primera pregunta planteada nos pide el conjunto de útiles necesarios para la fabricación de los perfiles. Un error común que puede cometerse y que de hecho yo tuve es plantear la fabricación de los perfiles sin hacer hincapié en las matrices, su obtención, forma geométrica, ensamblaje unas con otras, pues de hecho, al realizar un proyecto nuevo cara a realizar un proceso de fabricación de este tipo, lo que se hace es comenzar por definir los utensilios y geometrías necesarios para llevar a cabo la fabricación, en este caso, de los perfiles de PVC. Mi error en definitiva fue centrarme en la obtención de los perfiles de PVC y no en el desarrollo de los útiles para poder llevar a cabo el proceso de obtención de los mismos. Comenzamos con observar la figura adjuntada en el ejercicio. Si no se nos dijera en el enunciado que hacen falta 3 útiles (matrices) cabría la posibilidad de realizar una sola matriz, pues en el dibujo no se aprecia la necesidad de usar una, dos o tres matrices. La necesidad del uso de 3 matrices viene impuesta porque los perfiles de PVC deberán ser encajonados, hechos de 3 piezas. No se puede llegar a discernir porque no una y sí tres, pues eso es una necesidad de fabricación que con los datos ofrecidos no sabemos. A continuación, voy a definir una solución que se me ha ocurrido para la definición geométrica del conjunto de matrices. Como se sabe la función básica de la matriz es dar la forma a la masa fundida para lograr el perfil deseado. DISEÑO GEOMÉTRICO DE LAS MATRICES. Para lograr un encajonamiento de 3 matrices, los tramos en forma de T radiales pueden estar unidos a la semicircunferencia. 1. La matriz de la base que incluye a las T a 0 y 180 º y la parte horizontal. 2. La matriz de las T radiales con la semicircunferencia, apoyadas en la matriz anterior. 3. La matriz de recubrimiento trasero que encaja con las dos anteriores y las cierra. Esta solución pretende un conjunto de matrices compactas que consigue acoplar los tres perfiles de PVC. A continuación aparecen algunos perfiles hechos en aluminio que se han realizado mediante procesos de extrusión. Obsérvese que el primer perfil tiene una aspecto parecido a la de este problema y que se ha hecho de una sola pieza. Como ya se ha dicho, dependiendo del tipo de perfiles a fabricar se podría hacer con una sola matriz, pues no hay limitaciones de tipo geométrico para poderlo producir. No obstante en el moldeo por inyección sí parece necesitarse dos matrices para compactar con presión la pieza, pero como se ve existen múltiples posibilidades dentro de la extrusión, tanto en la composición química (a continuación se definirá) como en las partes para constituir la matriz.

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CROQUIS DE LAS MATRICES. He dibujado un croquis de las posibles matrices. No obstante, he buscado una solución mejor que la que existe para las mismas. En la matriz uno he puesto dos canalillos longitudinales 1-1’ para que asiente la matriz dos. Realmente esto serviría para lograr un mayor ajuste a los perfiles de PVC. No obstante esto no consta en el dibujo original, pues entonces existirían los trazos en el perfil que no vienen. Si queremos ajustar las matrices a ese dibujo, entonces los canalillos sobrarían.

matriz uno. En la matriz dos se observan los puntos 1-1’ que corresponderían a las secciones de la semicircunferencia que empotraría en la matriz uno. Observamos que esto daría mayor rigidez y fijación al conjunto de perfiles de PVC.

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matriz dos. La matriz tres sería la envolvente de las dos anteriores. Nuevamente hemos puesto los números 2-2’ que simbolizan las secciones que empotrarían en el borde con la matriz uno. Obsérvese que esta configuración logra un recubrimiento bastante bueno para el perfil del plástico y justifica el uso de tres útiles. No obstante, debería el dibujo de partida reflejar las partes de la semicircunferencia con los huecos de relleno, es decir, la bóveda debería aparecer pintada y no lo hace.

matriz tres.

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Tras los argumentos geométricos explicados puede que se pudiera optar por otras soluciones. No obstante, si se quiere que la matriz dos se divida en dos simétricas y eliminar la tercera, estimo que la configuración de los útiles sería algo inestable, pero salva las dificultades técnicas de no cuadre con el dibujo en 2D. En teoría, esa sería la solución ajustada: matriz uno, más dos matrices que dividen a la dos dibujada simétricamente y quitar la matriz tres del croquis.

2. Elegir la gama de materiales con los que se realizará el útil. Si sólo se empleara una matriz, se trataría de un semielaborado mezcla de perfil hueco con perfil abierto, según lo estudiado en el libro sobre matrices de extrusión, por lo que se consideraría uno de los tipos de perfiles más complicados dentro de los procesos de extrusión. A la hora de estudiar la gama de materiales con los que se harán las matrices puede interpretarse dos aspectos distintos: 1. Materiales en cuanto a su composición: material metálico, material cerámico, material plástico, etc., o bien subdivisiones concretas de los mismos: acero cromado, acero inoxidable,..., etc. 2. Componentes de que constarán las matrices en cuanto a elementos que las forman. Entiendo que el enunciado se refiere al segundo concepto, aunque se puede razonar una composición química de acuerdo a la tirada de perfiles de PVC y a su diferencia con los procesos de moldeo por inyección. Los elementos comunes e imprescindibles en todas las matrices de extrusión serán: un tipo de sistema de calefacción y un canal de flujo que permita que la corriente de material se distribuya en el producto elaborándose. Anteriormente se ha citado que si sólo existiera una matriz sería generada mediante un sistema a medias entre perfiles huecos con abiertos. No obstante, razonando con lo explicado en la primera pregunta de este problema, nos damos cuenta que realmente se tratará de perfiles únicamente abiertos, pues existen 3 matrices, y se había dicho que la segunda matriz, la que contiene los perfiles en T pegados a la semicircunferencia no contienen a dicha semicircunferencia cerrada, pues la parte de debajo de la misma corresponde a la otra matriz, la primera. La definición dada por el texto sobre perfil abierto es: el que puede definirse por una o varias líneas que nunca dejan en su interior un área cerrada. Esto lo cumple la segunda matriz. Por otra parte, para la primera matriz, tampoco se tiene una plancha, debido a que el espesor es variable, curvado y además con salientes extremos. Por lo tanto, la primera matriz, también es de perfil abierto. Respecto a la tercera matriz, también corresponde a un perfil abierto, pues tiene forma de coraza. Sin embargo, este razonamiento puede ser erróneo. Si leemos en el texto el apartado Matrices de generación de perfiles abiertos, se cita que para la generación de estas matrices los espesores de perfil en sus diferentes secciones presentan muy pocas o ninguna variación. Si observamos las matrices nos damos cuenta que sí existe variación, tanto en la primera como en la segunda matriz, mientras que la tercera podría hacerse

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con espesor constante. Realmente no sé exactamente hasta que límites se puede establecer con este procedimiento de perfiles abiertos la variación de la sección. Es por ello que por medida de seguridad, y dado que mi planteamiento vale únicamente cara a un prediseño sin una conexión física con la fabricación real, opto finalmente por realizar las dos primeras matrices mediante la generación de perfiles de huecos asimétricos y la tercera por el método de perfiles abiertos. Se debe observar que estoy planteando los procedimientos partiendo de unas tesis y posteriormente rebatiéndolas o desechándolas. Quizá hubiera sido más directo haber acudido directamente a los planteamientos finales, que es lo que lógicamente se debería hacer en un examen dado la limitación de tiempo. He preferido plantear todas las argumentaciones de esta forma, para poder debatir todos los razonamientos y desecharlos a medida que se definen los más acertados al no tener razón de ser. Resumiendo, hemos llegado al siguiente planteamiento: 1. Matrices uno y dos: por generación de perfiles huecos asimétricos. 2. Matriz tres: por perfiles abiertos. ¿Qué ocurre si pensamos que ya que hacemos las dos primeras matrices por el procedimiento de huecos asimétricos no hacemos también la tercera? Pienso que no sería correcto. Se toma como hipótesis que la fábrica o taller que produce esos perfiles de PVC realizará muchos otros distintos y que para ello dispondrá de un almacén de matrices, así como de herramientas, procesos y maquinaria acorde a cada situación. Realizar una matriz simple de perfil abierto con un sistema de huecos asimétricos, estimo que sería peor, en cuanto a precio y a no idoneidad de proceso, que repercutiría en otras variables: tiempo, etc. Describamos pues el procedimiento para cada una de las matrices. MATRICES UNA y DOS. Por generación de perfiles asimétricos. Son matrices especiales y se generará una matriz por cada tipo (lógicamente son totalmente diferentes, aunque van encajadas). Deberá contar de: i. ii. iii. iv. v.

Portamandriles: tantos como huecos tenga el perfil que se vaya a elaborar. Canales: por ellos se distribuye el flujo del PVC fundido. Zona de unión o soldadura: hacia ella confluyen los canales. Boquilla de salida: ahí se logra finalmente la forma del perfil. Unidad de refrigeración: logra enfriar el material para que compacte en el momento oportuno.

Por lo estudiado del texto no parece probable que existan elementos de calibración, pues ya en los perfiles abiertos se cita que las posibilidades de calibración de ese tipo de matrices son nulas por la complejidad de la geometría y dado que estamos en un caso con mayor complejidad, se entiende que existe menor posibilidad de calibración. MATRIZ TRES. Por generación de perfiles abiertos. Estas matrices se parecen geométricamente a las de generación por perfiles sólidos. Se considera que las secciones no tienen prácticamente variación. No hay

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posibilidades de calibración. La sección de salida de la boquilla tiene la sección del perfil a obtener. Tiene forma de embudo, como la de perfiles sólidos. Los componentes de este tipo de matrices serían todos los referidos para las matrices anteriores, excepto los portamandriles, pues no será necesario al no existir más hueco que el del perfil abierto. Hasta ahora hemos hablado exclusivamente de las matrices de extrusión. podrían definir las etapas del proceso de extrusión, junto con el resto de equipos de extrusión. Aunque creo que no se pide que se describa el módulo extrusión, vamos a referirnos a él brevemente por formar también parte de equipos de extrusión.

Se los de los

Módulo de extrusión. Se realizan funciones de transporte, homogeneización, fusión, etc. del plástico. Se debe conseguir:     

Inexistencia de burbujas y cámara de aire. Proceso rentable, costes bajos. Transporte constante. Masa fundida homogénea, en temperatura y reparto componentes. Control de temperatura a valor óptimo sin sobrepasar.

Componentes del módulo de extrusión. i. ii.

Tolva. Colector donde se recogen los materiales para hacer el plástico. Husillo. Responsable del transporte, compactación, homogeneización y fusión del material. El más común es el husillo de tres zonas.   

iii.

Zona de alimentación: diámetro interior menor y anchura paso mayor, para favorecer el transporte. Zona de compresión: aumenta el diámetro interior y disminuye el paso, para fundir y compactar el material. Zona de dosificación: diámetro interior mayor, mayor presión y fusión completa.

Cilindro. Parte rígida donde el husillo presiona al plástico y donde están los reguladores de temperatura. Al fabricar perfiles de PVC, usaremos una extrusora de doble husillo de cilindro de giro contrario.

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Se usarán aceros nitrurados de alta resistencia para construir el husillo y el cilindro y para prevenir la corrosión se usará el cromado. Para evitar el desgaste se recurre a la carburación y a recubrimientos lubricantes. INDETERMINACIÓN DE LA COMPOSICIÓN DEL MATERIAL DE LA MATRIZ. SOLUCIÓN INTERMEDIA. Para las matrices, podríamos elegir materiales parecidos a los del husillo y el cilindro, algún acero no necesariamente aleado y resistente o no. Sin embargo, esto dependerá de una variable que no se nos dice en el problema y es la cantidad de piezas de PVC que se van a producir. Una cosa es clara y es que no vamos a someter a las matrices fabricadas a las presiones excesivas de los procesos de moldeo por inyección en su fabricación, y si la cantidad de piezas a producir de PVC no es muy grande podríamos optar por materiales más ligeros, incluso aluminio. De lo contrario, si la producción va a ser en series grandes habría que pensar en aceros con resistencia al desgaste y a la corrosión, quizá aceros de herramientas. Con esto completamos el estudio desde los dos puntos de vista para los materiales de las matrices. MÁQUINAS DE EXTRUSIÓN.

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3. Sabiendo que se necesitarán tres unidades, elegir y describir el proceso idóneo de fabricación del útil enumerando detalladamente las diferentes fases así como los elementos necesarios para su obtención. Cuando sea necesario, indicar la geometría de las trayectorias de las herramientas (movimiento relativo herramienta-pieza) requeridas. ELECCIÓN DE PROCESO IDÓNEO DE FABRICACIÓN. En primer lugar hay que observar que el perfil a fabricar es pequeño en cualquiera de las tres matrices; habrá de tener en cuenta también que serán las materias primas de partida aceros de poco espesor pero de más que el de una chapa o bien materiales ligeros como el aluminio si se fabrican series cortas. De aquí en adelante vamos a suponer que se fabricarán series largas y se emplearán aceros resistentes. Se pueden emplear varios procesos de fabricación para estas matrices:

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1) 2) 3) 4)

Electroerosión por hilo. Láser de CO2. Mecanizado por chorro abrasivo. Fundición en escayola.

De entre los cuatro procesos que podrían ser factibles (y quizá alguno más), elijo la electroerosión por hilo. Intentaré explicar porqué descarto los demás procesos. 1) El láser puede ser muy caro aplicarlo y máxime para fabricar sólo 3 matrices distintas en una línea de producción de matrices que quizá no sea muy extensa. Pudiera también ser que los bordes redondeados producto de este proceso fuesen incompatibles con la idoneidad de acabado para la matriz, aunque esto es una mera hipótesis sin fundamento empírico. 2) El mecanizado por chorro abrasivo trae consigo también un gasto fuerte en la instalación y si solo vamos a fabricar de vez en cuando unas cuantas matrices no justifica su coste. De todas formas, frente al láser, en este caso tendría más justificación su aplicación. Además no dejaría contornos redondeados como el láser. 3) La fundición por escayola es un proceso que se emplea para producir moldes metálicos para moldeo de plásticos, pero ¿y para matrices de extrusión? Al no contar con el dato fidedigno, descarto la utilización de este procedimiento, aunque es de prever que fuese totalmente posible llevarlo a cabo satisfactoriamente. 4) Finalmente por eliminación, emplearía la electroerosión por hilo. DESCRIPCIÓN DE LA ELECTROEROSIÓN POR HILO. Las máquinas de electroerosión modernas emplean un hilo metálico móvil como electrodo, de forma parecida a las sierras de hoja continua. La composición del hilo puede ser de molibdeno, wolframio o cobre (incluso aleado), de un diámetro en torno a 0,25-0,5 mm. El hilo solo se usa una vez por lo que no se tiene en cuenta el desgaste. Se asemejan a máquinas de corte con sierra. Puede usarse este proceso en pulido en aparatos de medida de tolerancias (superacabado) en condiciones térmico-higrométricas ajustadas. Existen máquinas en las que el dieléctrico se aporta exclusivamente en la zona de trabajo mediante una tobera; en otras máquinas la pieza de trabajo se sumerge en el dieléctrico dando mayor estabilidad térmica. Las modernas máquinas permiten la introducción automática del hilo y el preajuste de la pieza consiguiendo una elevada productividad a costa de no necesitar continua supervisión, una gran calidad y sobre todo una elevada productividad. Únicamente se observa una dificultad en el posicionado y sujeción de la pieza en la zona de trabajo, pues se debe conseguir que el mecanizado se produzca en los límites de tolerancia impuestos y que no existan interceptaciones entre los elementos de sujeción y las partes móviles de la máquina. El cabezal de la máquina puede girar permitiendo cortes oblicuos mediante el hilo. Las máquinas de electroerosión pueden realizar cortes internos. Hay que empezar con un pequeño agujero en la pieza para introducir el hilo, usándose para ello una taladradora de electroerosión (máquina de penetración). La máquina puede

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enhebrar el hilo, forzándose a seguir el chorro del dieléctrico, que puede ser keroseno o agua desionizada, a través del pequeño agujero. A la salida el hilo es capturado por la propia máquina. Al moverse los hilos alrededor de varios ejes, las máquinas de electroerosión pueden realizar formas más complejas que las de penetración. Pueden producir piezas de mayor repetibilidad que las conseguidas por procesos más tradicionales. El corte por electroerosión es un método adecuado para obtener: matrices de embutición, matrices de extrusión, matrices para metalurgia de polvos por compactación, creación de prototipos y fabricación de electrodos convencionales de penetración. En definitiva, el proceso constaría de una máquina de electroerosión compuesta de varios rodillos (de entrada, de guía-intermedios, de arrastre), un fluido dieléctrico que guiaría el camino a seguir por el hilo, donde formaría un arco en la zona de trabajo, el propio hilo que cortaría en varias posiciones y ángulos a medida que avanzara el proceso gracias a los giros del cabezal de la máquina. El corte seguiría una trayectoria perpendicular a la superficie frontal en 2D de la figura de origen del problema. Hemos partido de la tesis de que la matriz dos tiene los perfiles planos respecto a la vista frontal. Sin embargo en el plano del papel donde está dibujada, el hilo seguiría una trayectoria paralela a los bordes contorneados de las matrices, girando en las esquinas lo preciso para salvar las trayectorias que delimitan los contornos. HISTORIA DE LAS MÁQUINAS DE ELECTROEROSIÓN DE ONA.

1952: ONA es fundada en Durango (País Vasco). 1962: ONA comienza su experiencia exportadora. Europa y Sudamérica son sus primeros mercados. 1967: Nace la familia de máquinas BA, que incorporan los primeros generadores transistorizados. 1977: Presentación en la feria mundial (EMO), del primer modelo de máquina de electroerosión por hilo ONA: "Ebagoki".

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El modelo WSM - 4,5 es la primera máquina de electroerosión fabricada por ONA.

1981: ONA potencia y multiplica las acciones del departamento de I+D, como resultado de ello, ONA presenta en la EMO de este año el primer control numérico del mundo concebido exclusivamente para el mecanizado de electroerosión por penetración (CNC POLISPARK).

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1987: Nueva gama de máquinas de electroerosión por penetración "tipo puente", con capacidad de carga en el cabezal de electrodos de hasta 3000 kg. de peso.

1990: ONA inicia la creación de su propia red de filiales en todo el mundo. Las razones de esta política son: - Estar mejor informado de las necesidades reales de los clientes. - Entablar una más estrecha colaboración con los clientes que permita un intercambio tecnológico del más alto nivel. - Ofrecer a los clientes soporte constante y un excelente servicio de asistencia técnica. 1991: Apertura de la nueva planta de producción en Durango. 11000 m2 destinados a producción. 1500 m2 destinados a I+D y 2000 m2 a oficinas generales, sala de demostraciones y SAT.

1992: ONA patenta el primer filtro del mundo 100% ecológico. El revolucionario sistema de filtrado no aporta ningún residuo a los propios de la erosión y su costo de mantenimiento es nulo. 1993: ONA pone al alcance de todos la más alta tecnología de electroerosión por hilo: nace la nueva gama de máquinas PRIMA, un nuevo concepto de máquina que aúna las más altas prestaciones con un costo de mantenimiento muy reducido.

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1995: Nueva gama de máquinas de electroerosión por penetración ONA TECHNO con SISTEMA EXPERTO DE EROSIÓN.

1998: ONA afianza su liderazgo mundial en la producción de máquinas de electroerosión de gran tamaño. El nuevo modelo TH 1000 ofrece una nueva solución precisa y ágil al trabajo con piezas de gran peso (hasta 25.000 Kg.) y volumen. 1999: ONA presenta en la feria Mundial EMO, la máquina de electroerosión por hilo más grande del mundo: la ARION K 1000. Esta nueva máquina amplia el rango de aplicaciones de la electroerosión por hilo a trabajos de un mayor volumen y complejidad.

BIBLIOGRAFÍA. Introducción a los procesos de fabricación. Mª del Mar Espinosa Escudero. Cuadernos de la UNED 197 . Reimpresión feb. 2.003. http://www.esi-extrusion.com/images/montage2.gif http://www.noktametal.com/extrusion_press_short_stroke1.jpg http://img.alibaba.com/photo/50012139/Aluminum_Extrusion.jpg http://www.schwarzflex.com/images/extrusion.jpg http://www.metalunivers.com/Tecnica/Hemeroteca/ArticuloCompleto.asp?ID=2502 http://www.ona-electroerosion.com/

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