ASIGNATURA: MATERIALES NO METÁLICOS / POLÍMEROS. Lección 11.- MOLDEO POR INYECCIÓN. 1.- Introducción. Una de las técnicas de procesado de plásticos que más se utiliza es el moldeo por inyección, siendo uno de los procesos más comunes para la obtención de productos plásticos. Hoy en día cada casa, cada vehículo, cada oficina, cada fábrica, etc. contiene una gran cantidad de diferentes artículos que han sido fabricados por moldeo por inyección. Entre ellos se pueden citar : teléfonos, vasijas, etc. y formas muy complejas como la que se muestra en la figura 1.0, que corresponde a una clavija de conexión de un teléfono.

Figura 1.0.- Clavija de conexión de un teléfono La masa de la piezas fabricadas puede situarse entre los 50 g y los 25 kg de los parachoques de los automóviles (Figura 1.1).

Figura 1.1.- Parachoques de un automóvil. El moldeo por inyección consiste, básicamente, en fundir un material plástico en condiciones adecuadas e introducirlo a presión en las cavidades de un molde, donde se enfría hasta una temperatura a la que las piezas puedan ser extraídas sin deformarse. El gran desarrollo que las máquinas de inyección han sufrido en los últimos años se ha visto influenciado no sólo por el creciente número de materiales y tipo de los mismos disponible, si no también por la demanda creciente de artículos de plástico. Muchos de los materiales corrientes como PS, PA, PVC, PMMA, etc., se desarrollaron en la década de los años 30. El moldeo por inyección se aplica normalmente a resinas termoplásticas si bien, con ciertas modificaciones, se puede aplicar a materiales termoestables y a elastómeros sintéticos.

En el moldeo por inyección un polímero en estado fundido y caliente, con un comportamiento no newtoniano, fluye a través de conductos o canales de geometría compleja, las paredes de los cuales están mucho más frías que el propio polímero, y llena un molde que también tiene las paredes frías. El modelado del proceso es muy complejo, aunque existen algunos programas comerciales ampliamente extendidos como por ejemplo el MOLDFLOW, que han contribuido al estado actual de desarrollo de esta técnica. El moldeo por inyección requiere temperaturas y presiones más elevadas que cualquier otra técnica de transformación, pero proporciona piezas y objetos de bastante precisión (siempre y cuando la resina utilizada no tenga una retracción excesiva), con superficies limpias y lisas, además de proporcionar un magnífico aprovechamiento del material, con un ritmo de producción elevado. Sin embargo, a veces, las piezas deben ser refinadas o acabadas posteriormente, para eliminar rebabas. En la tabla 1.1 se dan las ventajas y desventajas del proceso de moldeo por inyección. Tabla 1.1. Ventajas y desventajas del proceso de moldeo por inyección.

El ciclo de producción consta de ocho fases: 1.- Cierre del molde. 2.- Avance del grupo de inyección. 3.- Inyección del material en el molde, cerrado y frío. 4.- Mantenimiento de la presión. 5.- Refrigeración y solidificación del objeto. (Comienza al terminar la inyección y dura hasta que empieza la abertura del molde). 6.-Retroceso del grupo de inyección. 7.- Plastificación del material para el ciclo siguiente. 8.- Abertura del molde y expulsión del objeto. El fundamento del moldeo por inyección es inyectar un polímero fundido en un molde cerrado y frío, donde solidifica para dar el producto. La pieza moldeada se recupera al abrir el molde para sacarla. El proceso puede dividirse en dos fases; en la primera tiene lugar la fusión del material y en la segunda la inyección del mismo en el moldeUna máquina de moldeo por inyección tiene dos secciones principales (Figura 1.2): • la unidad o grupo de inyección • la unidad de cierre, o prensa, que aloja al molde.

En ciertas ocasiones, cuando el tiempo de enfriamiento es suficientemente largo, puede disponerse una unidad de inyección que se acopla a varias unidades de moldeo, con lo que aumen ta la productividad de la máquina. Los elementos esenciales de una unidad de inyección son: la tolva de ali mentación, el sis tema de dosificación, plastificación e inyección y la unidad de moldeo - desmoldeo. La tolva de alimentación se conecta mediante un conducto al cilindro donde tiene lugar la plastificación. Para evitar atascos, por reblandecimiento prematuro del material, debe ir refrigerado. A veces se aprovecha este conducto y la propia tolva para completar el secado de la resina que se está utilizando. El sistema de dosificación, plastificación e inyección admite la cantidad necesaria de resina, la reblandece o funde y la inyecta en el molde a través de una boquilla que, al adaptarse a presión al bebedero del molde, abre una válvula de descarga dispuesta en su extremo. Al desacoplar la boquilla, la válvula se cierra automáticamente. En la actualidad casi todas las máquinas de inyección disponen de un pistón de dosificaciónplastificación en forma de husillo que, al girar cierto número de vueltas, realiza la carga del material, siendo obligado por éste a retroceder hasta una posición tope, previamente regulada, quedando el cilindro completamente lleno de material. La plastificación mediante husillo proporciona una fusión regular y homogénea, con poco riesgo de degradación térmica, y posibilita un lle nado del molde a presiones más bajas, combinando el movimiento giratorio con su desplazamiento longitudinal. El extremo libre del husillo dispone de un anillo que actúa como válvula de retención, impidiendo el retroceso del material a su través durante la inyección. El trabajo que realiza el husillo es el siguiente: Cuando termina la inyección anterior se queda en la posición más adelantada. Al empezar a girar, toma el material frío de la tolva y lo transporta hacia la parte delantera, al tiempo que lo calienta. Una vez que llega a la parte anterior, estando la válvula de descarga cerrada, el husillo ejerce grandes esfuerzos de cortadura sobre el material, como ocurre en las extrusoras, a la vez que retrocede y, cuando tiene acumulada suficiente cantidad para llenar el molde, deja de girar, quedando en espera. Al acoplarse la boquilla al bebedero, se abre la válvula de descarga y el husillo actúa ahora como émbolo, comprimiéndole y haciéndole fluir a través de la boquilla, hasta llenar el molde, transmitiendo al interior de éste toda la presión. La cámara del cilindro de plastificación-inyección va provista de un sistema de calentamiento mediante resistencias individuales que permiten una regulación de la temperatura de la pared por zonas y mantiene la resina plastificada entre inyección e inyección. Las unidades de moldeo constan de las dos partes del molde sujetas mediante piezas portamoldes y ciertos mecanismos (generalmente hidráulicos) que tienen por misión su abertura y cierre. Estos mecanismos tienen que ser suficientemente robustos para resistir la presión del material en la etapa final de la inyección, que puede superar los 50 MPa y llegar a los 200 Mpa. Las primeras máquinas de moldeo por inyección para la fabricación de plásticos se basaban en las máquinas empleadas para la fabricación de metales por fundición a presión. A partir de la década de los 50 se desarrollaron máquinas especialmente diseñadas para la fabricación de polímeros, coincidiendo con una mayor demanda de este tipo de productos. Las principales ventajas del moldeo por inyección son: - El grado de automatización alcanzado con estas máquinas. - La posibilidad para fabricar productos plásticos con tolerancias muy pequeñas - Versatilidad para el moldeo de una amplia gama de productos, tanto en formas como en materiales plásticos distintos.

Figura 1.2.- Máquina de moldeo por inyección.

2.- Tipos de máquinas de inyección. Existen básicamente dos tipos de máquinas de moldeo por inyección: - la máquina de émbolo (o pistón) -1a máquina de tornillo reciproco. 2.1.- Máquina de émbolo o pistón.(Figura 2.1.0). Como su propio nombre indica la máquina de émbolo se sirve de un émbolo para forzar el paso del polímero fundido al interior del molde. Un sistema de pre - plastificación previa, basado en un tornillo extrusor puede emplearse para mejorar la mezcla y preparación del polímero fundido. La máquina de émbolo fue la primera en ser desarrollada y la tendencia es a que este tipo de máquinas sean sustituidas por la máquina de tornillo reciproco, pero todavía existen algunas en la actualidad. Los últimos avances en la máquina están encaminados hacia sistemas de control mediante programas informáticos para intentar controlar las principales variables que intervienen en el proceso: presión, temperatura y tiempos de inyección. Su funcionamiento es el siguiente : Una cantidad predeterminada del material a moldear cae del dispositivo de almacenamiento a la camisa. A continuación , el émbolo transporta el material a lo largo de la camisa donde es calentado por conducción por medio de los calentadores externos. El material se calienta y funde en el cilindro de calefacción al mismo tiempo que circula hacia la parte anterior de éste, empujado en veces sucesivas por las emboladas de un pistón que se mueve ajustadamente en el cilindro de calefacción. Este émbolo actúa de pistón de inyección y obliga al material fundido a pasar desde el cilindro de calefacción a las cavidades del molde, realizando así la segunda fase del proceso. Por tanto, en estas máquinas, tanto la inyección como la fusión se realizan en un único cilindro diseñado para cumplir estos dos fines. El material plastificado bajo presión es forzado a pasar a través de la lanza hacia la cavidad del molde.

Figura 2.1.0.- Máquina de inyección de tipo émbolo.

La transmisión de calor en el cilindro de calefacción de dichas máquinas es bastante deficiente. Dada la baja conductividad térmica de los plásticos, en la práctica es difícil calentarlos rápida y uniformemente. Además, los polímeros fundidos son sumamente viscosos y es también difícil crear en ellos cualquier tipo de turbulencia que mejore la mezcla. El problema de la transmisión de calor se complica aún más por la limitación en el tiempo de permanencia del material dentro del cilindro, limitación impuesta por razones de producción evidentes, y en algunos casos debido a la baja estabilidad térmica de los polímeros. Evidentemente el diseño más simple del cilindro de calefacción sería un cilindro recto calentado exteriormente y dentro del cual se aloja el material. Este diseño tan elemental se empleó en las primeras máquinas de inyección, pero muy pronto se llegó a la conclusión de que era necesario mejorara la transmisión de calor en la cámara de calefacción para lo que era necesario hacer que la relación entre la superficie disponible para la transmisión de calor y el volumen de material a calentar adquiera un valor lo mayor posible. Por ello se impuso el empleo de un torpedo cilíndrico colocado centralmente en el cilindro de calefacción y sujeto a las paredes del mismo por aletas laterales (Figura 2.1.1) que divide la masa de material en la camisa y mejora la transferencia de calor, al obligar al material a circular en capas delgadas. Por lo general el torpedo lleva unas resistencias eléctricas que permiten calentarlo desde el interior.

Figura 2.1.1.- Máquina de inyección de tipo émbolo

Otra manera de aumentar la superficie de calefacción podría ser hacer muy larga la cámara de calefacción, y al mismo tiempo disminuir su diámetro. Sin embargo, en este tipo de cilindros aumentan innecesariamente las pérdidas de presión y la resistencia al flujo del polímero, por lo que realmente no ha habido tendencia a construir máquinas con este tipo de cámaras. Considerando el cilindro de estas máquinas como un mecanismo de inyección sería preciso conseguir que las pérdidas de presión fueran lo más pequeñas posible. Para ello la sección del cilindro por el que circula el polímero fundido debería ser lo más grande posible. Además el cilindro debería ser todo lo corto que permitiera la construcción de la máquina y finalmente debería eliminarse cualquier tipo de obstáculo dentro del cilindro que, como el torpedo, dificulte el paso del material. Por ello, en estas máquinas el diseño del cilindro descansa en un balance razonable entre los requisitos para conseguir una buena eficacia para la transmisión de calor y reducir en lo posible la caída de presión. Este tipo de máquina tiene las siguientes desventajas : (i).- Hay un deficiente mezcla y homogeneización del polímero fundido. (ii).- Es difícil medir con exactitud la cantidad de material en cada ciclo de moldeo. Puesto que, la dosificación se realiza en volumen, cualquier variación de la densidad del material alterara el peso de cada embolada. (iii).- Puesto que el émbolo comprime al material y este se presenta en una variedad de formas , variando desde gránulos sólidos a un fundido viscoso, la presión en la boquilla puede variar de forma considerable de un ciclo a otro. (iv).- La presencia de un torpedo causa una significante caída de presión. (v).- Las propiedades de flujo del polímero fundido dependen de la presión y como esta es errática, se incrementa la variabilidad de llenado del molde. (vi).- La velocidad de inyección en las máquinas con pistón se ve muy limitada por la presencia del torpedo, por el diseño de la cámara de calefacción y por la presencia de los gránulos fríos. Alguna de las desventajas de la máquina de émbolo se pueden eliminar usando un sistema de pre-plastificado. Este tipo de máquinas posee dos camisas, como puede apreciarse en la figura 2.1.2 . El material se alimenta en la primera donde un extrusor con tornillo plastifica al material y luego lo alimenta a la segunda camisa a través de una válvula de no retorno. A continuación, un émbolo en la segunda camisa fuerza al fundido a pasar a través de la boquilla hacia el molde. En este sistema hay una homogeneización mucho mejor debido a que el fundido tiene que pasar a través de las pequeñas abertura que conectan las dos camisas. Así mismo, la cantidad de material puede medirse con más exactitud ya que el material alimentado a la segunda camisa puede controlarse mediante una llave límite sobre el émbolo. Otra ventaja es que ya no es necesario un torpedo en el cilindro de inyección. Esta máquina, hoy en día, se utiliza raramente debido a que es considerablemente más complicada y cara de lo necesario. Un área de aplicación donde aún se usa en para al obtención de grandes piezas ( moldes grandes) debido al gran volumen de material que es necesario plastificar antes de la inyección.

Figura 2.1.2.- Máquina de inyección de tipo émbolo con sistema de pre-plastificado. 2.2.- Máquina de tornillo reciproco. En este tipo de máquina (Figura 2.2.l) se utiliza un tornillo de extrusión. tanto para fundir y manejar el polímero fundido, como para inyectarlo en el interior del molde. El tornillo tiene un movimiento de vaivén, como si fuera un pistón, dentro de la camisa durante la parte de inyección del ciclo de producción. Se utiliza para procesar tanto termoplásticos como termoestables. Las máquinas de tornillo proporcionan un calentamiento uniforme del material así como un mezclado homogéneo. En estas máquinas la inyección del material se realiza desde la cámara de plastificación, que está provista de un tornillo similar al de las máquinas de extrusión. El calentamiento del material se produce por tanto de forma similar a como ocurre en las máquinas de extrusión: la rotación del tornillo transforma parte de la energía mecánica en calor por fricción, y además las paredes calientes del cilindro contribuyen a aumentar la temperatura por conducción. La eficiencia en la transmisión de calor de estas máquinas resulta muy elevada frente a las máquinas con pistón.

En estas máquinas conforme el tornillo gira la máquina produce material fundido que se va acumulando en la parte anterior del mismo. Para alojar este material fundido dentro del cilindro, el tornillo debe retroceder lentamente mientras gira. Una vez que hay suficiente cantidad de material fundido acumulada delante del tornillo, se detiene el giro y se realiza un movimiento axial hacia adelante, con lo que se realiza la inyección del material fundido. Durante la fase de plastificación, el extremo de salida está sellado por una válvula, y el tornillo acumula una reserva, o “carga” de material fundido frente a él, al moverse hacia atrás en contra del frente de presión. Cuando se completa esta etapa, abre la válvula de sellado, el tornillo detiene su giro y se le aplica presión que lo convierte en un empujador mecánico o pistón que impulsa el material fundido acumulado, a través de la boquilla que conecta con el molde, que se encuentra en la unidad de cierre. Esta es la etapa de inyección del proceso.

Figura 2.2.1.- Moldeo por inyección. Máquina de tornillo reciproco. La secuencia de operación o ciclo de moldeo de una máquina de este tipo sería la siguiente (Figura 2.2.2) : (a).- E1 molde se cierra, y el tornillo (sin girar) se mueve hacia delante a lo largo del cilindro actuando como un émbolo o pistón e inyecta el polímero fundido en el molde. La válvula se ha abierto y el tornillo fuerza el paso del material fundido por la boquilla hacia el molde. El tornillo permanece adelantado , manteniendo la presión, hasta que el polímero fundido que ha estado entrando en el molde. Esta etapa se denomina de “retención”, donde se mantiene la presión mientras el material se enfría para evitar la contracción.

En un determinado momento (idealmente cuando el material del orificio para inyección se ha solidificado) puede eliminarse la presión y el tornillo comienza nuevamente a girar, con la válvula cerrada, cogiendo nuevo material de la tolva de alimentación, que se calienta a lo largo de la máquina hasta fundir cuando alcanza la parte de adelante del tornillo. Como consecuencia de este nuevo volumen de material que estamos llevando hacia adelante se originan unas fuerzas de presión (el polímero fundido no puede salir) contrarias al sentido de avance del tornillo cuando esté estaba funcionando como émbolo. El resultado de estas fuerzas de presión es el empuje del tornillo hacia atrás hasta que se alcanza un límite. (b).- Cuando que se alcanza el volumen necesario de polímero fundido para llenar el molde y todas las cavidades de entrada, el tornillo deja de girar. Durante el período de retroceso del tornillo el polímero que estaba en el molde ha tenido tiempo de solidificar convenientemente, por lo que el molde se abre y el plástico solidificado expulsado. (c).- El molde se cierra nuevamente y el tornillo hace de embolo volviendo a inyectar el polímero fundido en el molde. (d).- El tornillo permanece adelantado , manteniendo la presión hasta que material del orificio para inyección se ha solidificado y el tornillo comienza a girar y a retroceder, volviendo a repetirse el ciclo.

Figura 2.2.2.- Ciclo típico de una máquina de inyección de tornillo reciproco.

Al igual que en las máquinas de extrusión, el diseño del tornillo viene determinado por las características del polímero con que se ha de trabajar y por las condiciones del proceso. Las variaciones de diseño se consiguen modificando el paso de hélice, la profundidad del canal y la longitud del tornillo. Si se representa el ciclo en un diagrama “circular” (figura 2.2 .3) se ve que una gran parte del tiempo del ciclo total se debe al enfriamiento, en el que se incluye el tiempo de retención. Como consecuencia, la rapidez de enfriamiento es un aspecto importante en la economía del moldeo por inyección.

Figura 2.2.3.- Ciclo de operación para producir piezas moldeadas por inyección. 3.- Características básicas de las máquinas de inyección. 3.1.- Introducción. Con respecto a la máquina de inyección deben considerarse las siguientes características básicas que son las primeras consideraciones que se realizan a la hora de definir una máquina de inyección, como son capacidad de inyección, capacidad de plastificación, presión de inyección máxima, fuerza de cierre máxima y velocidad de inyección máxima. 3.2.- Capacidad de inyección. Se entiende por capacidad de inyección la cantidad máxima de material que una máquina es capaz de inyectar de una sola vez en un molde a una presión determinada. La capacidad de inyección proporciona una idea de las posibilidades de la máquina considerada. En los catálogos de los fabricantes de máquinas de inyección en ocasiones la capacidad de inyección se indica como el peso máximo, expresado en gramos, que puede inyectar la máquina en un solo ciclo, supuesto que no se ha colocado ningún molde o que éste ofrece muy poca resistencia a la entrada del polímero. Es frecuente encontrar la capacidad de inyección referida al poliestireno, aunque en ocasiones también viene referida a otros materiales de uso común en inyección. En ocasiones también se expresa la capacidad de inyección de la máquina como el volumen barrido por el husillo de inyección en su recorrido hacia adelante, lo que resulta menos ambiguo que referirla a un tipo concreto de material. En una situación real la capacidad de inyección viene determinada por el diámetro y la carrera del pistón o husillo de inyección, así como por el tipo de molde utilizado, la temperatura que alcanza el polímero fundido, la presión a que se inyecta y otras variables. Cuando se emplea un molde que es difícil de llenar, la capacidad real de inyección de la máquina es siempre algo menor que la indicada por el fabricante.

La unidad de inyección suele escogerse de forma que sea capaz de contener material suficiente para dos ciclos. En otras palabras el 50 % de la capacidad de inyección de un cilindro debería vaciarse en cada ciclo. Por otra parte, la cantidad de material introducida en el molde nunca debería ser inferior al 20 % ni superior al 80 % de la capacidad del cilindro, de modo que el tiempo de permanencia del material en la cámara de plastificación no sea excesivamente largo para evitar que el material se degrade, ni excesivamente corto para evitar que no se encuentre plastificado. 3.3.- Capacidad de plastificación. La capacidad de plastificación es otro dato muy importante para evaluar las posibilidades de una máquina de inyección, sin embargo no es fácil expresar numéricamente este concepto. Se puede definir, aunque ambiguamente, como la cantidad máxima de material que la máquina es capaz de plastificar por unidad de tiempo. Para comprender mejor este criterio es preciso aclarar que por “plastificar” un polímero debe entenderse el calentar éste lo suficiente para que alcance una temperatura a la que pueda ser inyectado. Evidentemente, la capacidad de plastificación depende de la eficacia de calefacción de la cámara de plastificación y de las propiedades térmicas del polímero que se calienta. No hay método universalmente aceptado que indique las condiciones en que debe medirse la capacidad de plastificación de una máquina. Como en el caso de la capacidad de inyección, cada fabricante indica en el catálogo de sus máquinas la capacidad de plastificación de éstas expresada como caudal máximo plastificado de un material en unas condiciones de procesado determinadas, por lo general poliestireno (en kg/h o g/s), de modo que sólo sirve como guía para hacer comparaciones aproximadas entre máquinas de diversa procedencia. 3.4.- Presión de inyección. La presión de inyección es una característica bien definida. Se entiende por presión de inyección la medida en la cara delantera "a” del pistón de inyección o husillo (Figura 3.4.1). Como el husillo está actuado por un pistón hidráulico al que es solidario, la fuerza en ambas caras "A” y “a” será la misma, y si p es la presión de la línea hidráulica y P la presión de inyección se cumplirá P= p (A/a)

(3.4.1)

La presión p en la línea puede leerse en un manómetro M y la relación de superficies entre las caras de los pistones (A/a) es una característica de construcción de la máquina que debe conocerse. Las máquinas convencionales se construyen con relaciones A/a entre 8 y 9 generalmente. Esta presión de inyección P no es la misma que la máxima presión que se desarrolla en las cavidades de moldeo, la cual es bastante menor y puede tener valores solamente del 20 % de la presión de inyección y aun menores, dependiendo de las características del molde, de las condiciones de moldeo y del polímero utilizado.

Figura 3.4.1.- Posición en la que se determina la presión de inyección, P, y la presión del sistema hidráulico, p, que actúa sobre el tornillo.

3.5.- Velocidad de inyección. La velocidad de inyección es el caudal de material que sale de la máquina durante el periodo de inyección. Se expresa generalmente en cm3/s y es una medida de la rapidez con que puede llenarse un molde dado. La velocidad de inyección viene principalmente determinada por la velocidad de avance del pistón o husillo, y también se puede expresar como el número de veces por unidad de tiempo que el tornillo puede efectuar su recorrido completo de ida y vuelta cuando la máquina funciona en vacío, es decir, sin molde y sin material de moldeo. Naturalmente, esta característica de la máquina sólo depende de las demás características con que ha sido construida y en especial del tipo de sistema hidráulico utilizado. En una situación real (con material y molde en la máquina) la velocidad de inyección del material en el molde dependerá de otros factores como la presión de inyección, la temperatura de la cámara de calefacción, las características del material utilizado y el camino que debe recorrer el polímero fundido hasta llegar a las cavidades de moldeo, principalmente. 3.6.- Fuerza de cierre. La fuerza de cierre es aquella que mantiene unidas las dos mitades del molde mientras en la cavidad de moldeo se desarrolla la máxima presión como consecuencia de su llenado. Como ya se ha mencionado, la presión en la cavidad de moldeo es mucho menor que la presión de inyección, si bien se desarrolla una fuerza que tiende a separar las dos mitades del molde y que viene dada por el producto de la presión en la cavidad de moldeo por el área proyectada de ésta. Esta fuerza interna del molde puede ser muy grande y necesita ser contrarrestada por una fuerza de cierre que en todo momento sea superior a ella para asegurar así que el molde se mantiene cerrado durante la inyección. Cuanto mayor es la fuerza disponible para mantener cerrado el molde tanto mayor es el área transversal de la pieza que puede moldearse, a igualdad de las demás condiciones. Las máquinas de inyección convencionales empleadas hoy en día son capaces de desarrollar fuerzas de cierre de más de 1000 toneladas. 4.- Variables que intervienen en el proceso de inyección. 4.1.- Introducción. En el proceso de inyección intervienen o pueden intervenir de forma directa o indirecta del orden de 200 variables diferentes. Sin embargo para simplificar, estas variables se pueden clasificar en 4 categorías: temperatura, presión, tiempo y distancia. Estas variables no son independientes, y un cambio en una de ellas afectará a las otras. A continuación se comentarán las más importantes. 4.2.- Temperatura de inyección. Es la temperatura a la que se calienta el material para introducirlo en el interior del molde. La temperatura del material aumenta gradualmente desde que entra por la tolva hasta que se encuentra preparado para ser inyectado. Esta temperatura es función del tipo de material, y no debe ser superior a la temperatura a la que comienza a descomponerse, pero debe ser suficientemente elevada para permitir que el material fluya correctamente. La fusión y homogeneización del material a lo largo de la cámara de plastificación se lleva a cabo por los mismos mecanismos que se describieron para las extrusoras. 4.3.- Temperatura del molde. Es la temperatura a la que se encuentra la superficie de la cavidad de moldeo. Debe ser lo suficientemente baja para enfriar el material fundido y conseguir que solidifique. Esta temperatura varía a lo largo del molde y depende de varios parámetros (temperatura del fluido refrigerante, temperatura del material, características térmicas del molde, etc.), pero a efectos prácticos se evalúa como el valor medio a lo largo de toda la cavidad.

La velocidad a la que se enfría el plástico es un factor muy importante puesto que va a condicionar la morfología del material, y por tanto sus propiedades físicas, mecánicas, ópticas, etc. 4.4.- Presión inicial o de llenado. Es la presión que se aplica inicialmente al material fundido y que se desarrolla como consecuencia del movimiento hacia adelante del tornillo. Esta presión obliga a que el material fundido fluya hacia adelante, produciendo el llenado inicial del molde. En una situación ideal la presión inicial debe ser lo mayor posible, de modo que el llenado se produzca lo más rápidamente posible. 4.5.- Presión de mantenimiento o compactación (holding pressure). Es la presión que se aplica al final de la inyección del material, cuando el molde se encuentra casi completamente lleno. Se llama presión de mantenimiento o compactación, puesto que es la presión que se aplica durante la etapa de compactación, cuando algunas partes del material han comenzado a enfriarse y contraerse, y obliga a que el molde se acabe de llenar y se obtenga una pieza con una densidad uniforme. 4.6.- Presión posterior o de retroceso (back pressure). Es la presión que se aplica al tornillo mientras retrocede, una vez finalizada la etapa de compactación. Una vez que el molde está completamente lleno el tornillo comienza a girar para plastificar más material para el siguiente ciclo. Este material comienza a alojarse delante del tornillo, obligando a que el tornillo retroceda, sin embargo no se permite que el tornillo retroceda libremente si no que se aplica una cierta presión posterior para conseguir que el material se mezcle y homogenice adecuadamente. 4.7.- Tiempo de inyección inicial. El tiempo necesario para realizar la inyección depende de numerosos factores, como de cuanto material se está inyectado, su viscosidad, las características del molde y el porcentaje de la capacidad de inyección que se está empleando. En la mayoría de las máquinas el tiempo de inyección se divide en dos: el tiempo de inyección inicial y el tiempo de mantenimiento. El tiempo de inyección inicial es el tiempo necesario para que el tornillo realice el recorrido hacia adelante, obligando a que el material se introduzca dentro del molde. Normalmente este tiempo no es superior a 2 segundos, y rara vez excede los 3 segundos. 4.8.- Tiempo de mantenimiento o compactación. El tiempo de mantenimiento o tiempo de compactación es el tiempo que, después de realizar la inyección inicial del material, el tornillo permanece en posición avanzada, para mantener la presión del material dentro del molde. Este tiempo se prolonga hasta que la entrada a la cavidad de moldeo solidifica. A partir de ese instante la cavidad de moldeo queda aislada del resto del sistema mientras continúa enfriándose por lo que prolongar el tiempo que el pistón permanece en posición avanzada carecería de sentido. Para una pieza de 1.5 mm de espesor el tiempo de mantenimiento no suele exceder de 6 segundos. 4.9.- Tiempo de enfriamiento. Es una de las variables más importantes para conseguir una pieza de buena calidad. Es el tiempo que la pieza requiere para enfriarse hasta que ha solidificado y además ha adquirido la rigidez suficiente para poder ser extraída del molde sin que se deforme. Las partes más externas de las piezas se enfrían a velocidad más rápidas. El tiempo de enfriamiento debe ser suficiente para que un espesor considerable de la pieza (al menos el 95 % de la pieza) se encuentre frío para evitar que la pieza se deforme. Lógicamente cuanto mayor sea el espesor de la pieza que se está moldeando mayor será el tiempo de enfriamiento requerido. Como media una pieza de 1.5 mm de espesor requiere de 9 a 12 segundos para solidificar y adquirir suficiente resistencia para poder ser extraída del molde sin deformaciones.

5.- Componentes de la máquina de inyección. 5.1.- Introducción. La máquina de inyección convencional puede considerarse constituida por cuatros unidades fundamentales: la unidad de inyección, el sistema de cierre, la unidad de potencia y la unidad de control. El hecho de considerar independientes las unidades de cierre y de inyección permite la construcción de máquinas "a medida", de acuerdo con las características de la pieza que se desea moldear. De esta forma se aprovechan al máximo las posibilidades de ambas unidades y se abarata el proceso tanto desde el punto de vista de los costes de operación como desde el punto de vista de inversión en equipo. Esto es particularmente interesante, por ejemplo, en el caso de que se desee moldear piezas de gran sección transversal y pared delgada, por ejemplo bandejas, que pesan relativamente poco pero que requieren grandes fuerzas de cierre. También puede presentarse el caso inverso, cuando se pretenda moldear piezas muy compactas, con espesores de pared gruesos y sección transversal pequeña, de modo que se requiere de una máquina con elevada capacidad de inyección, pero no es necesaria una fuerza de cierre elevada. Otra ventaja de las máquinas "a medida" es la de que permiten intercambiar estas unidades cuando se precise moldear otro tipo de piezas. 5.2.- Unidad de inyección. 5.2.1.- Introducción. La unidad de inyección consta de un sistema de alimentación (tolva), y del sistema cilindro-tornillo, todos ellos de características muy similares a los de las máquinas de extrusión que se estudiaron anteriormente. Sin embargo en el proceso de extrusión el material sale de la máquina por la boquilla, que tiene un diseño condicionado por la geometría de la pieza, mientras que en el proceso de inyección el diseño de esa parte de la máquina (boquilla o boquilla) se realiza teniendo en cuenta exclusivamente las características térmicas y de flujo del material. Otra diferencia con las máquinas de extrusión reside en el movimiento hacia adelante que realizan los tornillos de las máquinas de inyección. Para evitar el retroceso del material durante la inyección estas máquinas están dotadas de válvulas o sistemas que impiden el retorno del material a la unidad de inyección. 5.2.2.- Tornillos. Como en el caso de las máquinas de extrusión, el diseño del tornillo viene determinado por las características del polímero con que se ha de trabajar y por las condiciones del proceso. Las variaciones de diseño se consiguen modificando el paso de hélice, la profundidad del canal y la longitud del tornillo. Son parecidos a los tornillos utilizados en la extrusión, con relaciones L/D variando entre 15 y 25, relaciones de compresión (2.5-4)/1 y presiones de inyección de hasta 200 Mpa. La profundidad del canal del tornillo disminuye desde el extremo de alimentación hacia el extremo de salida para favorecer la compresión del material que contiene. La camisa tiene calentadores de cincho que lo rodean. El calentamiento se debe en parte a los calentadores de la camisa y en parte a la disipación viscosa que ocurre conforme el polímero fundido se bombea a lo largo del tornillo. 5.2.3.- Válvulas de retención o de no retorno. Una diferencia importante con los tornillos utilizados en la extrusión es la presencia de una válvula de retención de tipo anillo que debe deslizarse sobre el cilindro con muy poca holgura sobre éste (Figura 5.2.3.1) , de un solo sentido de paso, colocada en la cabeza del tornillo, que es necesaria para evitar que haya pérdidas de material por las juntas de los hilos del tornillo, cuando este actúa como émbolo. La válvula está cerrada (el tornillo queda apoyado sobre el asiento del anillo) mientras se inyecta material para evitar el flujo de retroceso del mismo después de pasar el hilo del tornillo, y está abierta cuando gira el tornillo para permitir la acumulación de la nueva carga. En la figura 5.2.3.1 se muestran estas posiciones de la válvula

Cuando el material es transportado hacia delante por la rotación del tornillo la válvula se abre como se muestra en la figura 5.2.3.1.b.

(a) Válvula cerrada

(b) Válvula abierta Figura 5.2.3.1.- Válvula típica de retención.

Se presenta una excepción cuando se esta trabajando con materiales sensibles al calor, como por ejemplo el PVC. En tales casos no existe válvula, debido a que daría lugar a zonas donde el material quedaría obstruido y podría degradarse. Este tipo de válvulas sufre un gran desgaste por lo que deben remplazarse con frecuencia y aumentan las pérdidas de presión en la cámara de plastificación. 5.2.4.- Parte cilíndrica o camisa. Muy parecida a la parte cilíndrica de la máquina de extrusión, con unas bandas eléctricas que calientan el material y que se controlan usando termopares. El desarrollo más reciente es la introducción de camisas con cámara de desaireación, lo que permite el moldeo de los materiales sin un secado previo. 5.2.5.- Canal salida o boquilla o tobera. La boquilla, que esta atornillada al final de la camisa, conecta las dos mitades de la máquina para dejar pasar el material fundido desde la etapa de plastificación hacia los canales del molde. Por tanto, su función principal es la de conducir el polímero fundido desde la camisa hasta el interior del molde. El diseño de la boquilla depende mucho del tipo de polímero con que se trabaje y del diseño del molde. El diámetro del taladro suele oscilar entre 3 y 8 mm dependiendo del peso de la pieza inyectada. Durante esta operación el polímero fundido se calienta por fricción y conducción (existe una banda de calentamiento exterior) antes de entrar en los canales del molde que se encuentran a temperatura ambiente. Para evitar una solidificación del fundido que queda en la boquilla, por transferencia de calor hacía el material del molde, una vez llenado el molde, se retira la boquilla cuando el tornillo comienza su movimiento hacia atrás. La boquilla debe poder intercambiarse con facilidad, para poder emplear la más adecuada dependiendo del tipo de polímero y de las piezas moldeadas. Debe, además, mantener correctamente la temperatura del polímero, y evitar el goteo de material que impediría un buen asiento entre boquilla y bebedero (la zona del molde sobre la que se apoya la boquilla se conoce como bebedero), y por supuesto debe tener un diseño tal que evite caídas de presión innecesarias. Dependiendo de la forma como hacen su asiento con el molde pueden considerarse dos tipos de boquillas: la boquilla redonda y la plana, que se presentan en la figura 5.2.5.1. Como se puede apreciar el diámetro del taladro de la boquilla siempre debe ser 1 o 2 mm menor que el del bebedero (casos a y b) para evitar retenciones del material. Si se usa una boquilla redonda la curvatura de la punta debe ser menor que la del asiento sobre el molde, como se aprecia en la figura 5.2.5.1 (caso b), pues en caso contrario se produciría la salida del polímero fundido y no sería posible conseguir un buen asiento entre boquilla y bebedero (caso c).

Figura 5.2.5.1.- Diseño de boquillas y bebederos En la figura 5.2.5.2 se han representado diferentes tipos de boquillas. La boquilla normal o cónica de la figura 5.2.5.2a es económica y fácil de fabricar, sin embargo la conicidad de su taladro provoca pérdidas de presión innecesarias en el polímero fundido. No se aconseja el uso de esta boquilla cuando se producen grandes pérdidas de presión en el molde, pues para mantener la presión suficiente para llenar las cavidades sería necesario un orificio de salida de la boquilla excesivamente grande. En la figura 5.2.5.2.b se presenta la boquilla de flujo libre que mantiene el diámetro del taladro principal de la boquilla relativamente grande y muy corto el recorrido del pequeño orificio final. De este modo disminuye la resistencia ofrecida al paso del material. El diseño de esta boquilla permite la colocación de bandas de calefacción a lo largo de la misma para mantener la temperatura del polímero, así como la prolongación (boquillas prolongadas) de la misma dentro del propio molde para así poder disminuir la longitud del bebedero y mantener el diámetro de entrada de éste en un valor pequeño. Un problema típico que suele presentarse en materiales que tienen viscosidad muy baja del fundido, como es el caso de las poliamidas, es que entre ciclo y ciclo salga material goteando por la boquilla, el cual podría ensuciar la superficie exterior de la boquilla, impidiendo así un buen asiento sobre el molde. Este problema se evita empleando boquillas de conicidad invertida, como es el caso de la “boquilla italiana” que se presenta en la figura 5.2.5.2.c.

Figura 5.2.5.2.- Esquema de diferentes tipos de toberas: a) tobera normal o cónica, b) tobera de flujo libre, c) tobera de conicidad invertida. El problema del goteo de material también se puede evitar mediante el uso de los diferentes tipos de boquillas con válvula, como por ejemplo es el caso de la boquilla con válvula deslizante de la figura 5.2.5.3. Cuando esta boquilla apoya sobre el molde, la pieza que lleva el orificio que permite la salida del material se desliza hacia atrás, y sus taladros laterales se ponen en comunicación con el polímero fundido que llena el cuerpo principal de la boquilla, con lo que el material puede salir y ser inyectado (figura 5.2.5.3a). Cuando el cilindro de inyección se retira y la boquilla deja de apoyar en el molde, la propia presión del polímero fundido obliga al elemento móvil a deslizarse hacia adelante con lo que los taladros laterales dejan de estar en comunicación con el cuerpo principal de la boquilla (figura 5.2.5.3b).

Figura 5.2.5.3.- Tobera con válvula deslizante. Existen dos tipos principales de canal de salida o boquilla (Figura 5.2.5.4): (a).- Boquilla abierta (Figura 5.2.5.4.a) , que es simple y se usa siempre que sea posible, ya que las posibles caídas de presión se ven minimizadas y no se presentan zonas donde el fundido pueda estancarse y descomponerse. Sin embargo, los materiales fundidos de baja viscosidad, como el nylon, presentan fugas en este tipo de boquilla, lo que provoca contaminación y crea desperdicios, particularmente si el conjunto camisa/boquilla se retrae desde el molde en cada ciclo. (b).- Boquilla con cierre , de la cual existen dos tipos principales. La figura 5.2.5.4.b muestra una boquilla de cierre, que se cierra mediante medios mecánicos externos simples. La placa A—A’ se desliza en la dirección que indica la flecha. Por su parte, la figura 5.2.5.4.b muestra una boquilla de cierre donde una válvula de aguja sobre la que actúa un muelle evita que existan fugas o escapes de material. La válvula se abre cuando la presión del fundido excede de un determinado valor o alternativamente cuando la boquilla es presionada contra el molde. La mayoría de las boquillas de cierre tienen la desventaja de que pueden restringir el flujo de material causando estancamiento del mismo. Por esta razón, este tipo de boquillas no deben usarse con materiales sensibles al calor, como es el caso del PVC.

Figura 5.2.5.4.- Tipos de boquilla: (a) abierta (b) de interrupción mecánica simple (c) válvula de aguja.

Por lo común, las boquillas se calientan por medio de una banda calefactora, pero también se genera el calentamiento viscoso, ya que en este punto el canal se estrecha y , por lo tanto, la velocidad de corte es más alta. Disminuye entonces la viscosidad , lo que a su vez, facilita la inyección. Por lo común, se evita que el polímero solidifique en la boquilla después de la inyección y retención, y ésta será la situación que se crearía por el contacto con el molde frío. Con frecuencia, la boquilla no se mantiene en contacto, o se puede aislar térmicamente. El polímero que solidificó en la boquilla tiene que volverse a fundir en la siguiente inyección, lo cual genera inconsistencias de temperatura y, por tanto, irregularidades del flujo en el material fundido conforme avanza hacia el molde. Esto, a su vez, provoca defectos del producto. 5.3.- Unidad de cierre. Apriete del molde. Un cierre perfecto del molde tiene una gran importancia sobre la calidad de la pieza moldeada y puede hacer innecesarias operaciones secundarias de eliminación de rebabas de los artículos producidos. Al escoger las condiciones del proceso debe darse la debida consideración a la fuerza de cierre, que debe ser superior a la fuerza de apertura. Los sistemas de cierre constan generalmente de dos platos o placas fijas unidas por unas robustas columnas de alineación, generalmente cuatro. Entre los dos platos fijos hay uno móvil que desliza por las columnas de alineación. A un lado de un plato fijo va situada la unidad de inyección y al otro lado del otro plato fijo va situada la unidad de cierre, que desplaza al plato móvil. El molde se coloca entre el plato móvil y el plato fijo situado al lado de la unidad de inyección. Es necesario mantener las dos partes del molde firmemente unidas y ajustadas durante la inyección por la alta presión que se produce en este proceso. Por ello, es necesario disponer de un sistema de apriete. Experimentalmente se ha comprobado que la presión de cierre del molde, entorno al área del molde que va a sufrir la alta presión, está entorno a los 10-50 MPa, pero puede exceder de 140 MPa y muy bien pueden ser necesarios 200 MPa para evitar fugas en las superficies de acoplamiento del molde. La fuerza necesaria de cierre para una pieza moldeada determinada puede encontrarse a partir de su área proyectada. En el ejemplo de la figura 5.3.1, en la que se representa una tina de baño con un hoyo en el fondo, corno una maceta, se puede ver que el área proyectada incluye las paredes laterales angulosas o radiales, pero excluye las aberturas: Área proyectada = (a x b) — (c x d).

Figura 5.3.1.- área proyectada de una tina de baño moldeada.

La presión de inyección que se aplica sobre el área proyectada proporciona la fuerza de inyección y, por lo tanto, la fuerza de cierre que se requiere para resistirla. Una manera de evaluar los tamaños de máquina es de acuerdo a la fuerza de cierre disponible; cuanto mayor sea la fuerza disponible, más grande es la máquina. La acción de cierre requiere la máxima eficacia y la máxima rapidez. Conviene que se haga lo más rápidamente posible (50 m/min) hasta un instante antes de que se toquen las dos mitades del molde, y que después el movimiento sea más lento aplicando la máxima fuerza de cierre. De este modo se evitan golpes innecesarios sobre los moldes. Suelen distinguirse tres tipos básicos de sistemas de cierre: sistemas mecánicos, sistemas mecánico-hidráulicos y sistemas hidráulicos. (a).- Sistema mecánico que amplifica la fuerza (Palanca) (Figura 5.3.2.a), se utiliza sobre todo cuando se buscan presiones de cierre relativamente bajas (Fuerzas de apriete relativamente pequeñas) y se prefieren para máquinas de alta velocidad . (b).- Sistema hidráulico (Figura 5.3.2.b), se utiliza cuando están en juego presiones de cierre más altas. Requiere menos mantenimiento que el otro sistema. Liquido hidráulico a presión se introduce por detrás de un pistón conectado a un plato de presión móvil de la máquina. La fuerza de apriete puede ajustarse de tal manera que no se produzcan fugas del polímero fundido del molde Las dos principales ventajas del sistema mecánico son: que es más económica la operación del pequeño cilindro hidráulico y que no es necesario mantener la presión hidráulica durante el ciclo de moldeo, ya que el dispositivo mecánico se auto-sujeta. Tiene las desventajas de que no existe indicación del valor de la fuerza de apriete y que las partes móviles adicionales aumentan los costes de mantenimiento. Entre las principales ventajas de los sistemas hidráulicos de cierre se encuentra que la fuerza de cierre puede ser monitorizada y cambiada en cualquier momento durante el ciclo, y lo mismo ocurre con la velocidad a la que se mueve el pistón a lo largo de su recorrido. Las ventajas y limitaciones de cada uno de los dos sistemas de cierre se dan en la tabla 5.3.1. Tabla 5.3.1.- Ventajas y limitaciones de cada uno de los dos sistemas de cierre.

Las máquinas más modernas utilizan, para los movimientos rápidos de avance y retroceso del pistón principal, otros pistones auxiliares que son de pequeño diámetro y van situados paralelamente al pistón principal o incluidos centralmente en él. La fuerza total de cierre la da el pistón principal mientras que los pistones auxiliares sólo sirven para conseguir movimientos más rápidos del sistema. En la figura 5.3.3 se representa un sistema de cierre hidráulico de este tipo, que consta de un pistón hidráulico principal, de mayor sección, que da una elevada fuerza de cierre y que realiza los movimientos finales, mientras que el resto del movimiento del plato móvil es debido a un pistón secundario de menor sección, y que proporciona movimientos más rápidos.

Figura 5.3.2.- Sistemas de cierre. (a).-Tipo mecánico (b).- Tipo hidráulico

Figura 5.3.3.- Sistema de cierre de dos pistones.

Presión de inyección. La presión alta que se necesita para inyectar se debe a la alta viscosidad de los polímeros fundidos y se aplica por medio de un tomillo mediante un sistema hidráulico, que para esa función no gira, La presión de línea del sistema es del orden de 7-14 MPa. El diámetro del cilindro hidráulico es de 10 a 15 veces el del tornillo, el cual eleva la presión hasta alcanzar la que se necesita para inyectar el material fundido viscoso. 5.4.- Moldes de inyección. Con respecto a los moldes de inyección conviene definir algunas partes de los mismos antes de seguir avanzando. En la figura 5.4.1 se presentan esquemáticamente dos moldes que ayudan a describir algunos términos que se emplean para denominar diferentes partes de los moldes o de las piezas de inyección, tales como: • Bebedero • Mazarota • Canales de alimentación • Ramificaciones • Cavidades de moldeo • Recortes

Figura 5.4.1.- Representación esquemática de un molde de dos placas: (a) Molde de una sola cavidad. (b) y (c) Área transversal y corte de un molde de cuatro cavidades.de dos placas.

Los canales de alimentación acaban en una sección más estrecha que comunica con la cavidad de moldeo, a la que se llama entrada a la cavidad o simplemente entrada (gate). Según el tamaño de la pieza que se moldea, la cavidad puede tener una sola o varias entradas convenientemente distribuidas. Después de lo expuesto el concepto de cavidad de moldeo no necesita ningún otro comentario. Un molde de inyección puede tener una o varias cavidades de moldeo. El molde (Figura 5.4.2) consta, al menos, de dos partes o placas que componen la forma que se quiere moldear y se sujeta a las placas de cierre, de la manera más simple, en dos mitades. Estas mitades se unen por presión cuando se cierra el molde, tocándose entre sí en una superficie plana a la que se suele llamar plano de partición del molde. Cuando se representa una sección del molde, la superficie de partición puede quedar reducida en el dibujo a una sola línea que recibe el nombre de línea de partición. El plano de partición es perpendicular a la dirección en que actúa la fuerza de cierre. La parte de la izquierda es fija y la de la derecha es móvil. La exactitud del mecanizado es fundamental para prevenir la formación de una fina capa de plástico (flash) en las juntas que separan ambas partes del molde. Los tamaños de los moldes van desde los 5 mm de diámetro de los marcos portabolas del cojinete hasta los 4 m de los cascos de los barcos. Independientemente del tamaño de la pieza a fabricar, las partes del molde son las mismas para todas ellas.

Figura 5.4.2.- Representación esquemática de un molde de dos placas.

Figura 5.4.2.- Detalles del molde de inyección de dos placas.

Placas de apoyo. Permiten integrar dentro de la estructura de la máquina el molde.

Canales de enfriamiento. En los moldes de inyección es muy importante que la temperatura de la pieza sea lo más uniforme posible durante el enfriamiento. Por ello el molde contiene una serie de canales de refrigeración por los que circula el líquido de refrigeración, generalmente agua. Estos canales deben estar diseñados de modo que permitan el enfriamiento de la pieza a velocidad adecuada y de manera uniforme. Los moldes se suministran con canales de enfriamiento a través de los cuales pasa el agua. La temperatura del agua varía para los diversos productos. El agua muy fría da los tiempos de circulación más cortos, pero algunas veces se requieren temperaturas más altas del molde, especialmente con polímeros cristalinos, con el fin de lograr las propiedades óptimas del producto terminado. Están calculados para controlar la temperatura del molde con gran precisión en el rango comprendido entre 20-100 °C. Las condiciones típicas de trabajo vienen dadas en la tabla 5.4.1. Pernos de expulsión. Sirven para separar la parte fija de la parte móvil permitiendo que quede liberada la pieza moldeada. Se accionan mecánicamente por medio de un tornillo de resalto. Cuando se llena el molde se debe extraer al aire que se halla en él. Por lo común, esto pasa de manera espontánea gracias al espacio libre de los pernos expulsores, pero algunas veces se abren pequeños orificios de ventilación, de unos 0.025 mm de diámetro, suficiente para que salga el aire y no permita la entrada de material fundido. Si la ventilación es inadecuada, puede haber fallos en el proceso o en el producto. El caso más crítico es que quede atrapada una burbuja de aire, lo que provocaría un hoyo en la pieza moldeada. Un fallo más común es que el material se queme, debido a un escape rápido del aire. El aire puede escapar tan rápido que la temperatura se eleve lo suficiente como para degradar localmente el polímero y provocar quemaduras sobre la pieza moldeada. Tabla 5.4.1.- Condiciones del moldeo por inyección de termoplásticos

Pernos guía. Aseguran una perfecta alineación de la cavidad del molde con el resto de la estructura. Es decir, aseguran la exactitud del molde. Anillo de localización. Asegura la correcta alineación con el canal de salida (boquilla) de la máquina de inyección. El plástico fundido sigue el siguiente camino desde la máquina basta la cavidad de impresión de la pieza requerida:

Boquilla

 Cavidad de entrada al molde (sprue)  Canales 

 Cavidad de entrada a la zona de impresión  Zona de impresión (molde) Bebedero (Sprue bush) (Figura 5.4.3). El bebedero es la parte del molde sobre la que se apoya la tobera, y el polímero fundido que ocupa el bebedero cuando termina el moldeo, recibe el nombre de mazarota (Sprue). En la figura 5.2.7.2a el bebedero comunica directamente con la cavidad de moldeo, mientras que en la figura 5.2.7.2b el bebedero se ramifica en varios canales que llegan hasta las cavidades de moldeo. Estos canales se denominan canales de alimentación y el polímero que los llena después de terminar cada ciclo de moldeo se conoce como ramificaciones. La mazarota y las ramificaciones suelen ir unidos a las piezas moldeadas y reciben en conjunto la denominación de recortes pues han de ser separados de las piezas moldeadas en una operación posterior de recorte.

(a)

(b)

Figura 5.4.3.- Bebedero del molde de inyección. Espiga (Sprue). Es el canal que une la cavidad del molde con la boquilla de la maquina y por el cuál el material entra al molde. Este canal está en la parte fija del molde, y sin embargo, el plástico que solidifica en su interior ha de salir cuando se desmoldea. Para que esto se lleve a cabo perfectamente esta cavidad incorpora una clavija de sujección en su parte final que 'corta" el plástico para que deslice más fácilmente. Debido al desgaste al que esta sometido este canal, se hacen reemplazables y de fácil colocación. Orificio para la inyección del material o compuerta (Gate). Es un orificio estrecho por el cual el plástico fundido entra en la cavidad del molde (Figura 5.4.4) y que permite una fácil separación de la zona de impresión y los canales de colada al molde (Bebederos). Como suele ser lo que primero enfría actúa como una válvula que evita que el material del interior de la zona de impresión sea succionado hacia afuera durante el movimiento de retorno del tornillo en la máquina.

Figura 5.4.4.- Orificio para la inyección del material convencional El estrechamiento en la compuerta tiene tres funciones: 1.- Efecto tapón anti-retroceso. Permite solidificación rápida del polímero cuando concluye la inyección. Esto aísla la cavidad y permite la extracción de la espiga. Permite separar la piquera de la boquilla de inyección antes de que haya consolidado todo el material de la cavidad. 2.- La sección sólida, estrecha y delgada permite separar fácilmente la espiga de la pieza moldeada después de sacarla del molde, eliminando en la mayoría de los casos la necesidad de desbastar en el acabado. 3.- Incrementa la velocidad de corte conforme fluye el material fundido y, en consecuencia, disminuye la viscosidad para llenar mejor y más rápido moldes con formas complejas. Se usan varios tipos de diseño de compuertas con fines diferentes. En la figura 5.4.5 se ilustran algunos de uso común. A continuación se describen algunas de las características de las diversas compuertas. 1.- Compuertas de canal de alimentación. Son las más simples. La alimentación desde el canal a una sola cavidad es directa. 2.- Compuertas de aguja. Estas se llenan desde los bebederos. Por lo común se usan en moldes de tres placas. La pequeña cicatriz que dejan es fácil de borrar en el acabado. La sección estrecha da una velocidad de corte muy alta, baja viscosidad y permite que se llenen fácilmente las secciones delgadas del molde.

Figura 5.4.5.- Tipos de orificios de entrada o compuertas a la zona de impresión.

3.- Compuertas laterales. Es el tipo común de compuerta que se usa para moldes de multiimpresión o de múltiples cavidades. Alimentan por las partes laterales del molde. Los moldes de impresión múltiple deben utilizar “bebederos balanceados” para tener distribución uniforme a través del sistema. La calidad y propiedades finales de las piezas moldeadas dependen en gran medida de las condiciones físicas del polímero que llena la cavidad en el momento en que solidifica. Por ello, en los moldes de múltiples cavidades se requiere que todas ellas comiencen a llenarse a la vez y acaben al mismo tiempo. Esto se puede conseguir haciendo que el material recorra siempre el mismo camino para llenar todas las cavidades. Por su parte, los bebederos no balanceados pueden dar lugar a piezas moldeadas de calidad desigual debido a que la presión y, en consecuencia, el flujo, no son iguales en sitios cercanos al canal de alimentación y en los que se hallan alejados (figura 5.4.6).

Figura 5.4.6.- Cavidades de moldeo dispuestas en: (a) flujo balanceado y( b) no balanceado. Los moldes balanceados presenta los inconvenientes de que se pierde una cantidad de material considerable en los recortes y de que el molde debe ser bastante grande. Otra posibilidad es modificar el diámetro y la longitud de la entrada a las cavidades para compensar las diferentes caídas de presión debidas al flujo del material, lo que se conoce como flujo compensado (figura 5.4.7). Con el flujo compensado se consigue disponer las cavidades lo más juntas posible y con canales lo más cortos posible.

Figura 5.4.7 Cavidades de moldeo dispuestas en flujo compensado. 4.- Compuertas anulares. Estas se usan en moldes de impresión múltiple para fabricar piezas moldeadas huecas porque conducen el flujo alrededor de un núcleo central.

5.- Diafragma. Es similar a la compuerta anular pero se surte directamente desde el canal de alimentación para elaborar impresiones simples. 6.- Compuertas de abanico. Las compuertas de abanico hacen que se disperse el material fundido a manera de un abanico para cubrir bien áreas grandes; 7.- Compuertas de película. También se conocen como compuertas de “borde” o de “flash”, dan una distribución uniforme del espesor en piezas moldeadas planas delgadas. Se usan mucho más para productos transparentes como las lentes de policarbonato que se utilizan en dispositivos de medición, en donde un flujo uniforme evita la formación de ondulaciones. 8.- Compuertas de lengüeta. La lengüeta elimina “los chorros” en grandes áreas planas por rompimiento del flujo y que lo vuelven turbulento conforme entra en la cavidad. La formación de chorros provoca líneas de flujo de mal aspecto, especialmente en materiales transparentes. La compuerta debe posicionarse de tal modo que se genere un flujo de fundido uniforme en la impresión, lo que causa un llenado del molde también uniforme de forma que los frentes de fundido que avanzan alcanzan los extremos de la impresión al mismo tiempo. Un ejemplo de posición correcta e incorrecta de la compuerta se muestra en la figura 5.4.8. La compuerta correcta para este producto en forma de copa es la compuerta de espiga, con la que la sección cilíndrica se rellena de una manera balanceada sin dar lugar a la formación de una línea de soldadura. La compuerta lateral es incorrecta ya que se forma una línea de soldadura, que puede ser fuente de un mal funcionamiento desde el punto de vista mecánico y además es un defecto visual.

Figura 5.4.8.- Compuerta correcta ( en espiga) e incorrecta (lateral) para un producto en forma de copa. Cuando dos frentes de flujo están excesivamente fríos puede ocurrir que no suelden bien, produciéndose las líneas de soldadura (Figura 5.4.9). Estas deberían situarse en las zonas de la pieza que vayan a estar sometidas a cargas o tensiones menores o bien en lugares menos vistos.

Figura 5.4.9.-Formación de líneas de soldadura. Canales de colada (runners). Son los canales que conectan la espiga (sprue) con la compuerta (gate) con el objeto de transferir el plastico fundido a las cavidades del molde.Usados en los moldes con varias zonas de impresión para conectar el primer canal de entrada al molde (sprue) con las diferentes zonas de impresión. Su geometría ideal responde a formas con grandes secciones transversales (para que fluya bien el polímero fundido), pero con pequeñas áreas superficiales (para reducir las posibilidades de un enfriamiento prematuro. E1 tamaño de los canales depende del material que se está moldeando. Además deben de ser lo más cortos que sea posible, con el fin de reducir pérdidas de presión innecesarias. En la figura 5.4.9 se puede ver la situación de los canales de colada o bebederos

Figura 5.4.9.- Situación de los canales de colada o bebederos.

Conforme el polímero llena el molde cerrado, el aire que se encontraba llenando la cavidad de moldeo debe ser evacuado. Por lo general este aire escapa por la línea de participación del molde o por la holgura que queda entre el molde y las espigas extractoras (Figura 5.4.10). Cuando esto no sea posible (por ejemplo, cuando se emplean fuerzas de cierre muy elevadas) el molde debe tener una serie de pequeños orificios, generalmente practicados a lo largo del plano de partición que permitan la evacuación del aire, pero no del polímero fundido (con un diámetro próximo a 0.025 mm).

Figura 5.4.10.- Detalles de un molde de inyección. 5.5.- Otros tipos de moldes. 5.5.1.- Molde de tres placas. En ocasiones se utilizan moldes en tres partes como el de la figura 5.5.1.1. En éstos los canales de alimentación y las cavidades de moldeo están en diferentes planos. Los moldes en tres partes resultan más caros, si bien tienen la ventaja de que el llenado de las cavidades puede ser mucho más simétrico y las piezas obtenidas son de mejor calidad. Este tipo de molde se usa cuando se desea tener un sistema de canales de colada en un plano diferente del plano de unión de las placas del molde. Este podría ser el caso de un molde con varias cavidades, en el cual es deseable tener una alimentación central para cada una de ellas. En este tipo de molde la separación de la compuerta se realiza de forma automática y el sistema de espiga y bebederos son expulsados separadamente.

Figura 5.3.1.1.-Molde de tres placas. (a).- Molde cerrado y (b).- abierto.

5.5.2.- Moldes con canales de colada calorifugados. El bebedero y los canales de colada forman parte del molde, pero no del producto final. Desafortunadamente, no es económicamente viable descartarlos de tal modo que reciclarlos previa molienda. Esto es caro y puede introducir contaminación en el material, por lo cuál cualquier sistema que evite su acumulación es atractivo. En un molde convencional los canales de alimentación que conducen desde la tobera y los canales de colada hasta las cavidades de moldeo quedan llenos de polímero fundido al terminar cada etapa de inyección. Este polímero se enfría a la vez que las piezas moldeadas y se extrae con ellas del molde, frecuentemente unido a las propias piezas, por lo que es preciso realizar una operación posterior para separarlos y otra operación para triturar estos recortes y poder aprovecharlos de nuevo en otro ciclo. El moldeo con canales calientes se realiza con un tipo de molde de inyección que incluye en su diseño un sistema que mantiene los canales de alimentación a una temperatura más alta que las cavidades de moldeo. De este modo el polímero que ocupa los canales alimentación permanece siempre en estado fundido y preparado para la próxima inyección. El principal objeto del uso de canales calientes es eliminar del molde de inyección el sistema de alimentación a las cavidades y con ello evitar la formación de "recortes" y la necesidad de una operación de acabado en las piezas moldeadas y de trituración del material para volver a utilizarlo. Esto significa que el control de la temperatura debe ser muy riguroso, tanto en el molde como en las toberas, que el área de contacto entre las toberas secundarias y el molde ha de mantenerse en el mínimo y que el ciclo de moldeo ha de ser rigurosamente constante. Se suelen rebajar determinadas zonas del molde para disminuir el área de contacto de las toberas y se aísla el sistema de canales del resto del molde. Estos moldes resultan caros y por ello, sólo se usan para producciones muy grandes que permiten amortizar el coste de los mismos. Con tal fin se ha desarrollado un sistema, que es una extensión lógica del molde de tres placas. Se sitúan en el molde, convenientemente, zonas de calentamiento y aislamiento para mantener al plástico en los canales de colada a la temperatura de inyección. Durante cada ciclo se extrae la pieza, pero el fundido en los canales de colada se retiene y se inyecta en la cavidad durante la siguiente de entrada de material. Un diseño típico de este tipo de molde puede verse en la figura 5.5.2.1. Este sistema solo trabaja mientras que el material en los canales de colada permanece fundido, ya que si solidifica debe ser desmantelado para eliminar los canales de colada. Ventajas adicionales de este tipo de moldes son las siguientes: (i).- Eliminación de recortes (ii).- Posibilidad de ciclos de moldeo más rápidos ya que el sistema de canales de colada no solidifica También tiene desventajas: (i).- Molde más complejo que el convencional y, por tanto, más caro. (ii).- Muchas zonas donde el material puede quedar atrapado, esto da lugar a problemas durante cambios de color o de tipo de material debido a la dificultad de eliminar todo el material anterior. La técnica de moldeo con canales aislados elimina prácticamente estos inconvenientes. En esta técnica los canales son de gran diámetro (como mínimo 12.5 mm). Cuando se inyecta el material plástico la capa en contacto con el metal frío solidifica. Esta capa actúa como aislante térmico por lo que el polímero que fluye por el centro del canal permanece fundido inyección tras inyección. Estos moldes permiten economizar los costes de construcción, no necesitan de un control riguroso de la temperatura y suprimen la necesidad de eliminar recortes.

Figura 5.5.2.1.- Diseño típico de un molde con canales de colada calentados.

5.5.3.- Molde con canales de colada enfriados (Figura 5.5.3.1). Es similar al molde con canales de colada calentados, pero en este caso en lugar de tener zonas calentadas, se usan canales de colada de mayor diámetro ( 13 – 25 mm). Esto hace que se forma una película de material solidificado en la superficie interior del canal de colada, la cual aísla al material del núcleo central del canal de colada que permanece fundido. Este se retiene y se inyecta en la cavidad durante la siguiente de entrada de material. Si un retraso indebido causa la solidificación total del material en el canal de colada, este puede ser extraído y cuando se vuelva a restablecer el ciclo de moldeo se vuelve a forma la película aislante. La principal desventaja de este tipo de sistema es que no es apropiado para polímeros o pigmentos que tengan una baja estabilidad térmica o una viscosidad elevada, pues una parte del material puede permanecer en un estado semifundido en el canal de colada durante largos períodos de tiempo. Un desarrollo reciente del principio de canal de colada aislado es el sistema de distribución de tubos. Este supera la posibilidad de solidificación del material insertando tubos calentados en los canales de colada. Sin embargo, este sistema todavía cuenta con una gruesa capa de polímero en la pared del canal de colada que hace de aislamiento y, por tanto, no es adecuado para materiales sensibles al calor. Ambos sistemas cuentan con un cartucho calentador en la zona del orificio por donde se inyecta el material (gate) para prevenir su solidificación prematura.

Figura 5.5.3.1.- Diseño típico de canales de colada aislados y distribuidos. 6.- Control de presión , temperatura y tiempo. La calidad de los productos obtenidos en el moldeo por inyección incluye propiedades mecánicas, calidad de la superficie, dimensiones y densidad. Para obtener una calidad aceptable y reproducible, es esencial mantener el proceso de moldeo bajo un control preciso y así las máquinas modernas están controladas por medio de microprocesadores. Las entradas al sistema de control son : - Temperaturas en la camisa, boquilla y molde medidas mediante termopares. - Presión del liquido hidráulico que actúa sobre el brazo del émbolo (Figura 6.1) . - Presión del polímero en el molde (Figura 6.1) . - Posición y velocidad del brazo del émbolo mediante un sensor tipo potenciómetro (Figura 6.1) .

Figura 6.1.- Control multi – paramétrico en el moldeo por inyección.

Los datos anteriores deben ser usados para optimizar el ciclo y obtener la calidad requerida en el tiempo de ciclo mas corto posible. Durante el proceso productivo los parámetros óptimos determinados deben de repetirse de ciclo en ciclo de la forma más precisa que sea posible. Se ha encontrado conveniente controlar las acciones dominantes en la inyección, llenado del molde y compactación (empaquetamiento), de dos maneras alternativas : (I).- (1) y (2.1) (II).- (1) y (2.b). Alternativa (I). (1).- Moviendo el brazo hacia delante a una secuencia de velocidades, altas al principio y bajas al final cuando la etapa de llenado del molde está próxima al final (Figura 6.2) . (2.a).- Cambiando al control de la presión del brazo para la etapa de compactación (Figura 6.2) .

Figura 6.2.- Presión que actúa sobre el brazo en función del tiempo durante el llenado del molde y la compactación : secuencia de control (1) y (2.a). Una vez que el molde esta lleno, el brazo detiene su movimiento y es de menor importancia para el control del empaquetamiento. Otra razón para controlar la velocidad durante el llenado del molde se basa en que la velocidad influye sobre el acabado superficial, la contracción y la anisotropía. En la etapa (1) los datos son suministrados por el sensor de posición del brazo y el parámetro corrector es la presión hidráulica del brazo. Para la etapa (2) los datos son suministrados por el sensor de presión del brazo y el parámetro corrector es el mismo. La presión de compactación constante (Figura 6.2) se aplica durante un determinado tiempo y luego su valor se disminuye hasta el valor de la presión de mantenimiento hasta que la compuerta solidifica. Después del tiempo de permanencia a la presión de mantenimiento, el tornillo gira en sentido contrario. Durante esta fase, y con el fin de lograr una viscosidad consistente del fundido , la presión de retroceso se mantiene en un valor bajo y constante. Cuando el tornillo gira a una velocidad fija, la presión de retroceso afecta al par torsor y , por tanto, al trabajo realizado y a la temperatura del fundido, que aumenta si lo hace la presión de retroceso. Alternativa (II). La presión sobre el brazo gobierna la presión en la cavidad, pero está claro que debido al estrechamiento del tornillo en la camisa, etc. , la medida de la presión en la cavidad debería de ser un parámetro del control más directo. Esto proporciona un modo alternativo a (2.a). El brazo se mueve hacia delante a una velocidad controlada (1) hasta que se completa el llenado del molde y entonces para la compactación : (1).- Moviendo el brazo hacia delante a una secuencia de velocidades, altas al principio y bajas al final cuando la etapa de llenado del molde está próxima al final (Figura 6.2) . (2.b).- el microprocesador cambia al sensor de la presión en la cavidad (Figura 6.3) . El control se logra comparando la presión en la cavidad con la del punto de consigna. Si existe diferencia el controlador aumentará o disminuirá la presión (figura 6.3) en el ciclo siguiente. El parámetro corrector es la presión hidráulica en el brazo.

Figura 6.3.- Posición del brazo y presión en el molde en función del tiempo durante el llenado del molde y la compactación : secuencia de control (1) y (2.a). Un control aparte se ejerce sobre el volumen de fundido que permanece en el frente del tornillo después de la inyección ( figura 6.1), el cual afecta a la presión transmitida desde el sistema (brazo hidráulico y brazo) a la cavidad durante la compactación . Dicho volumen lo mide el sensor de posición del brazo y si , por ejemplo, es bajo el tornillo se retira más adelantado durante la fase de rotación del ciclo siguiente. La temperatura del molde controla el grado de tensiones residuales en la pieza y en los polímeros cristalinos el grado de cristalinidad. Ambos parámetros afectan a las propiedades mecánicas y , en particular, a la resistencia. Temperaturas típicas en el molde se dan en la tabla 6.1. La temperatura óptima en el molde es un compromiso entre la exigencia de bajar el tiempo total del ciclo, que implica bajar la temperatura del molde y la exigencia de mejorar las propiedades mecánicas, que implica aumentar la temperatura del molde. Tabla 6.1.- El líquido en la camisa es empujado a través de la boquilla ( TB temperatura de la camisa ) hacia el molde, que se mantiene a la temperatura TMOLDE

Según se desprende de la tabla 6.1 la temperaturas en el molde para el nylon 6.6 está entre 60 y 90 ºC, que se sitúan en la región y por encima de la temperatura de transición vítrea (50 º). La relajación de tensiones a dichas temperaturas (entre 60 y 90 ºC) progresa más rápidamente que a temperaturas más bajas, por ejemplo, de 20 a 30 ºC. Las macromoléculas durante su paso en estado fundido por el tornillo y la boquilla se encuentran sometidas a importantes tensiones de corte y extensionales, por lo debe permitirse la relajación de tensiones a un nivel aceptable en el interior del molde. La temperatura del molde se controla pasando fluidos de temperatura controlada a través de agujeros interconectados existentes en el molde. Es función del fluido termostático eliminar calor tan rápido como sea posible del molde y transferirlo al sistema de enfriamiento. Los requerimientos son: - Lograr una distribución de la temperatura lo más uniforme que sea posible para llegar a la uniformidad en el producto moldeado. - Eliminar el calor de la cavidad del molde de modo uniforme, con el fin de evitar alabeos. - Eliminar el calor rápidamente de modo que se puedan conseguir ciclos de menor duración.

7.- Comportamiento del material dentro del molde. 7.1.- Introducción. Desde un punto de vista teórico, el flujo del polímero fundido en el moldeo por inyección resulta un problema reológico muy complejo. Se trata del flujo de un fundido no newtoniano, compresible y que fluye a través de canales de geometría complicada, cuyas paredes están mucho más frías que el polímero. Las tres variables fundamentales que rigen el comportamiento del material dentro del molde son temperatura, presión y tiempo. Se puede considerar que el ciclo de inyección comienza en el momento en el que el molde vacío se cierra y queda listo para la inyección del material. A continuación el husillo comienza a avanzar haciendo fluir al fundido, que sale a través de la tobera y recorre los canales de alimentación hasta que llena las cavidades de moldeo. Cuando el plástico fundido entra en el molde y toca las paredes relativamente frías de éste, la capa de fundido más externa en contacto con las paredes metálicas se enfría rápidamente, por lo que la pieza moldeada consiste en una corteza de polímero sólido que rodea a un núcleo fundido. Conforme se enfría, el material comienza a contraerse, por lo que el pistón de inyección debe permanecer un corto periodo de tiempo en posición avanzada para compactar el material y compensar la contracción que sufre al enfriarse. La presión máxima que puede mantenerse a través de la entrada a la cavidad dependerá del tamaño eficaz de ésta, de las dimensiones del núcleo fundido y de la fluidez del polímero dentro del molde. El punto de entrada a la cavidad de moldeo es generalmente la zona más estrecha del sistema (Gate), que presenta la máxima relación entre la superficie disponible para la transmisión de calor y el volumen de material que aloja, por tanto, es la primera zona donde el material solidifica. Una vez que la entrada a la cavidad solidifica, el pistón ya no es capaz de transmitir más presión dentro del molde, por lo que se le hace retroceder. Dentro del molde la capa fría de material va engrosando gradualmente hasta que el polímero solidifica completamente. La presión dentro de la cavidad disminuirá a medida que el polímero se enfría y se contrae. La presión variará con la temperatura del artículo moldeado, es decir, habrá una relación de estado entre la presión, el volumen y la temperatura de la pieza que se está enfriando, que va a determinar en gran medida la calidad de la pieza obtenida. Una manera muy conveniente de estudiar el ciclo de moldeo por inyección es medir la presión del material que ocupa la cavidad y ver como ésta varía con el tiempo. En la figura 7.1.1 se muestra un diagrama típico (presión/tiempo) donde se pueden observar las etapas que se acaban de describir: llenado, compactación y enfriamiento. El origen de tiempos se toma en el momento en que se cierra el molde.

Figura 7.1.1.- Presión en el molde durante un ciclo típico de moldeo.

A continuación se analizan con mayor detalle las tres etapas: (1).- Llenado de la cavidad, (2).- Compactación (3).- Enfriamiento de la pieza. 7.2.- Análisis de la etapa de llenado de la cavidad. La etapa de llenado comprende desde que el material entra en la cavidad hasta que comienza la fase de compactación. los dos parámetros más importantes que intervienen en esta fase son la velocidad de inyección y la temperatura de inyección. 7.2.1.- Flujo del material durante la etapa de llenado. En la figura 7.2.1.1 se representa la sección de un molde que se está llenando, conjuntamente con el perfil de velocidades del material en el frente de llenado y en 2 puntos detrás del mismo. Puesto que la superficie de los moldes está perfectamente pulida se puede suponer que el frente de llenado presenta un perfil de velocidades prácticamente lineal, como el que se muestra en la figura 7.2.1.1. Conforme avanza el frente de llenado el material se enfría y aparece una capa de material solidificado sobre las paredes del molde, que recibe el nombre de capa fría. El material que circula cerca de la capa fría presentará una viscosidad elevada por lo que tiende a detenerse, pero es arrastrado por el material que sigue entrando al molde a gran velocidad. Cuando este material rebasa el límite de la capa fría, si su viscosidad es suficientemente elevada quedará retenido sobre las paredes del molde provocando lo que se conoce como efecto fuente (figura 7.2.1.1), que origina una fuerte orientación de las moléculas.

Figura 7.2.1.1.- Perfil de velocidades en el frente de llenado y en 2 puntos por detrás del mismo en una sección del molde. En la figura 7.2.1.2 se representan los perfiles de la velocidad de flujo, gradiente de velocidad y temperatura a través de la capa fría y del núcleo fundido en una sección de un molde que se está llenando. En las cercanías de la capa fría el material se ve sometido a un gradiente de velocidad elevado, tal como se observa en la figura 7.2.1.2. En una situación normal, la temperatura del material aumentará de forma progresiva desde la capa fría hacia el núcleo fundido. Sin embargo, si como consecuencia del gradiente de velocidad en el límite entre la capa fría y el núcleo, la cizalla es muy elevada, se puede producir un incremento local de la temperatura del material es esa zona, como se aprecia en la figura 7.2.1.2.

Figura 7.2.1.2.- Perfil de velocidad de flujo, gradiente de velocidad y temperatura durante el llenado de un molde. El espesor de la capa fría por detrás del frente de llenado no es constante. En la figura 7.2.1.3 se muestra como varía el espesor de la capa fría para un molde rectangular de sección constante en función de la distancia a la entrada de la cavidad recorrida por el frente de llenado. Por lo general, el tanto por ciento máximo de capa fría se encuentra en el punto medio de la longitud recorrida, pues en la zona cercana a la entrada, el material se encuentra todavía a una temperatura elevada y fluye a una velocidad más o menos uniforme, de forma que la capa fría se mantiene en un espesor pequeño, mientras que en la última zona del recorrido el material del frente de llenado es renovado continuamente y se encuentra relativamente caliente.

Figura 7.2.1.3.- Tanto por ciento de capa fría en función de la longitud recorrida. 7.2.2.- Determinación del tiempo óptimo de llenado. La velocidad de llenado del molde depende de la velocidad a la que avanza el pistón de inyección, que por lo general no es constante, sino que se encuentra parametrizada en una serie de intervalos para conseguir que el llenado de la cavidad sea lo más uniforme posible. El motivo es evitar que cuando el frente de llenado alcanza las zonas de paso más estrecho del molde se produzcan gradientes de velocidades excesivamente elevados en el seno del material. La velocidad de llenado al final del recorrido del pistón de inyección debe disminuir para conseguir que la transición entre la etapa de llenado y la de compactación sea adecuada. Si el tiempo establecido de llenado es muy bajo (velocidad de llenado media o muy alta), la presión de inyección necesaria para conseguir el caudal adecuado de material será muy alta. Igualmente si el tiempo de llenado es demasiado alto (velocidad media o lenta) también se necesitará una presión de inyección elevada para conseguir llenar el molde, puesto que parte de la sección de los canales habrá solidificado y la sección de paso del material puede haber disminuido mucho. Una presión de inyección elevada supone la necesidad de emplear fuerzas de cierre muy altas, lo que repercute sobre los costes y sobre la vida de la máquina y de los moldes. Por ello, la selección de la velocidad de llenado adecuada debe realizarse atendiendo a criterios de presión mínima de inyección.

Otro factor muy importante que afecta a la calidad de la pieza es la temperatura en el seno del material y entre diferentes partes del mismo. Sería deseable que entre diferentes puntos de la pieza no existiera una diferencia de temperatura demasiado grande, para evitar que éstos solidifiquen a velocidades muy diferentes, y por tanto, que existan diferencias importantes de densidad en la pieza. La temperatura del material que se encuentra llenando la cavidad es más alta en el punto de entrada y, en principio, va descendiendo conforme se aleja de la entrada, puesto que se va enfriando en contacto con las paredes del molde. Sin embargo también puede ocurrir que la temperatura del material aumente conforme se aleja del punto de inyección. Esto puede suceder cuando los tiempos de llenado son muy bajos y hay zonas de paso muy estrecho, de modo que se produce una disipación de calor en el seno del material debido a las fricciones internas a las que está sometido. En la figura 7.2.2.1 se muestra la evolución de la presión de inyección y de la temperatura del material en la entrada a la cavidad y en un punto alejado de la misma en función del tiempo de llenado. Un análisis de este tipo de curvas permite determinar los tiempos de llenado óptimos teniendo en cuenta los 2 criterios: mantenimiento de la presión de inyección necesaria en un mínimo (y por tanto la fuerza de cierre), así como mínima diferencia de temperatura entre diferentes partes de la pieza.

Figura 7.2.2.1.- Determinación del tiempo óptimo de llenado en la cavidad en función de la presión de inyección y temperatura de la entrada a la cavidad y de un punto alejado de la misma. 7.3.- Análisis de la etapa de compactación. 7.3.1.- Introducción. Durante la etapa de compactación se añade el material necesario para acabar de llenar la cavidad, compensando los efectos de la contracción térmica que sufre el material durante su enfriamiento y solidificación. Durante esta fase se consigue evitar la presencia de aire atrapado y de rechupes así como minimizar la contracción final de la pieza y las deformaciones que algunas partes pudieran sufrir. La fase de compactación finaliza cuando la entrada a la cavidad solidifica, de modo que la máquina ya no puede transmitir la presión de compactación al interior de la cavidad. La etapa de llenado se realiza a una velocidad de avance del pistón elevada y por ello el control de esta etapa se realiza bajo “el control de la velocidad”. Sin embargo, la fase de compactación se realiza bajo el control de la presión. Durante esta etapa el tornillo de inyección se mantiene en posición avanzada, de modo que transmite una determinada presión, que puede ser variable, y en la mayoría de las máquinas se encuentra parametrizada en una serie de intervalos. La transición entre la fase de llenado y la de compactación debe realizarse de forma que se eviten picos de presión dentro de la cavidad, lo que provocaría la aparición de tensiones en las piezas.

7.3.2.- Transición entre llenado y compactación. La transición entre las fases de llenado y compactación debe realizarse de manera suave. En la figura 7.3.2.1 se muestran tres ejemplos de transición entre estas fases, efectuados a distintos tiempos. Si la transición se realiza demasiado pronto, una parte del llenado se realiza bajo el control de la presión, lo cual provoca una caída brusca de la misma (figura 7.3.2.1a). En consecuencia la pieza presentará defectos superficiales, rechupes y porosidad interna. Si por el contrario la transición se efectúa demasiado tarde (figura 7.3.2.1b), se produce un pico de presión dentro de la cavidad, que produce un retorno de material hacia la entrada del molde, lo cual genera orientaciones del material inadecuadas. En este caso suelen aparecer rebabas en el plano de partición del molde, así como sobresfuerzos en la máquina y el molde, que pueden afectar a su vida útil. En la figura 7.3.2.1c aparece un ejemplo de transición adecuada, que favorece una evolución suave de la presión en la cavidad, que evita los defectos señalados.

Figura 7.3.2.1.- Transición entre la etapa de llenado y la de compactación.

7.3.3.- Influencia de variables durante la fase de compactación. La fase de compactación tiene la misión de comprimir el material para que las características del mismo sean uniformes en toda la cavidad, de modo que se eviten rechupes. Las principales variables que afectan a la calidad del material durante esta etapa son el tiempo, la presión y la temperatura de compactación, así como la temperatura del molde. El tiempo de compactación influye en el perfil de presiones en la cavidad. Si el tiempo establecido para la compactación es demasiado bajo, la entrada del material no habrá solidificado aún y parte del material contenido en el molde fluirá hacia la cámara de calefacción, reduciéndose el peso final de la pieza, provocando la aparición de orientaciones en el material y favoreciendo la aparición de rechupes. En este caso se observará una disminución muy pronunciada de la presión en el momento en el que se retira el pistón de inyección. Por otra parte, si se mantiene la presión de compactación después de que la entrada a la cavidad haya solidificado, el efecto de dicha presión no se transmitirá a la cavidad. En este caso el único efecto será un aumento del consumo de la máquina y la ralentización del ciclo. En la figura 7.3.3.1 quedan reflejadas tres situaciones posibles en una curva presión-tiempo.

Figura 7.3.3.1.- Efecto del tiempo de compactación en una curva P-T. (a) tiempo de compactación demasiado corto, (b) situación normal en la que el pistón se retira cuando la entrada solidifica, y (c) el pistón permanece demasiado tiempo en posición avanzada. Para poder establecer el instante en que el material de la entrada solidifica, y por tanto el tiempo óptimo de compactación, existen principalmente dos métodos: • Comprobación de la presión en la entrada de la cavidad. Mientras la entrada no haya solidificado la presión irá disminuyendo paulatinamente, de forma que cuando la entrada solidifica, la presión se mantiene constante. • Determinación del peso de piezas obtenidas a diferentes tiempos de compactación. Se pueden realizar varios ciclos aumentando gradualmente el tiempo de compactación. Cuando se detecte que el peso de la pieza no varía se puede deducir que la entrada a la cavidad está sellada. Otra de las variables que influye sobre la etapa de compactación es la presión de compactación. Si la presión de compactación se aumenta, el resultado es que el tiempo necesario para que se produzca la solidificación del material que ocupa la entrada será mayor. En cuanto al efecto de la temperatura de inyección sobre el tiempo de compactación, se producen dos efectos que pueden llegar a compensarse: al aumentar la temperatura de inyección el material fundido del núcleo tiene mayor temperatura y menor viscosidad. Según esto el tiempo necesario para que la entrada a la cavidad se cierre aumentaría. Sin embargo un aumento de la temperatura de inyección permite reducir la presión de inyección necesaria, lo que supone que el tiempo de compactación necesario disminuye. El último factor que afecta a esta fase es la temperatura del molde. Cuando la temperatura de las paredes del molde se incrementa, el material fundido se enfría más lentamente, y la entrada a la cavidad solidifica más tarde, alargando el tiempo necesario para la compactación.

7.4.- Análisis de la etapa de enfriamiento. Una vez que la entrada a la cavidad ha solidificado la pieza queda aislada en el interior del molde, independientemente de si el tornillo se mantiene en posición avanzada o no. Al enfriarse el material aparecen dos efectos contrarios y simultáneos. Por un lado, como consecuencia del enfriamiento tiene lugar un aumento de la densidad del material, lo que supone la contracción del mismo. Por otro lado, al disminuir la temperatura disminuye la presión a que está sometido el material, y esto tiende a permitir la expansión del material, con el consiguiente aumento de volumen de la pieza moldeada (disminución de densidad del material). Estos dos efectos tienen lugar simultáneamente y se deben compensar de tal manera que el volumen de la pieza moldeada se mantenga constante. En el momento en que se abre el molde, las piezas moldeadas deben estar libres de defectos, deben llenar totalmente la cavidad del molde, y finalmente su temperatura debe ser tal que no sufran deformación alguna cuando se extraigan. Teniendo en cuenta lo anterior, la relación entre presión, temperatura y densidad en el momento de abrirse el molde seguirá uno de los tres caminos siguientes: (a).- La presión ha disminuido hasta ser prácticamente nula, y al disminuir ha compensado exactamente la contracción originada por el enfriamiento de la pieza moldeada, de manera que el volumen de ésta es adecuado y se extrae de la cavidad fácilmente. Esta es la situación ideal que debe buscar el moldeador para obtener piezas de la calidad máxima. (b).- En el momento de abrir el molde queda aún cierta presión residual sobre la pieza moldeada que permite una última expansión de la pieza dentro de la cavidad. Esto origina que la pieza se ajuste contra las paredes de la cavidad, dificultando la extracción. Es frecuente también que cuando la pieza no está limitada por el molde sufra una dilatación, modificando sus dimensiones y presentando esfuerzos internos indeseables. (c).- El último caso que puede presentarse es que la presión en el material que llena la cavidad del molde se anule antes de que la temperatura disminuya hasta su valor previsto para la extracción. En este caso el efecto que subsiste es el de contracción de la pieza hasta que se enfría a la temperatura de extracción. Esto da lugar a la aparición de ampollas o burbujas, bien en la superficie de la pieza moldeada, bien en el interior de dicha pieza (cavitación). La velocidad de enfriamiento y, por tanto, la temperatura del molde, juegan un papel muy importante en esta etapa. Mientras la pieza está enfriándose en el interior del molde las paredes de la cavidad inhiben las contracciones y deformaciones que pueda sufrir la pieza. Puesto que la pieza no puede deformarse libremente, en su lugar se generan tensiones internas que se acumulan en el seno del material. Parte de estas tensiones se liberan cuando la pieza se desmoldea y se deforma libremente, pero otra parte quedan acumuladas en el material, afectando a sus características y comportamiento mecánico, químico, y a las dimensiones finales de la pieza. Las condiciones de enfriamiento son, además, muy diferentes en el interior del molde y en el exterior. En el interior del molde predomina fundamentalmente el mecanismo de conducción, mientras que la pieza una vez desmoldeada se enfría por convección, con lo que la velocidad de enfriamiento es mucho más baja. Si existe una diferencia muy grande entre la temperatura del molde y la temperatura ambiente, la pieza una vez expulsada se encuentra todavía a temperatura elevada y se enfría con lentitud, por lo que se ve sometida a un efecto de relajación de tensiones, que favorece la deformación de la pieza. La velocidad de enfriamiento también condiciona al grado de cristalinidad alcanzado por el material, así cuanto menor sea la velocidad de enfriamiento mayor cristalinidad desarrollará el material, ya que se permite al material ordenarse y cristalizar más durante la solidificación. Lógicamente, dentro de una sección de la cavidad, la velocidad de enfriamiento es distinta y depende de la distancia que existe entre el punto considerado y la pared del molde. Esto provoca que el grado de cristalinidad sea variable dentro de la misma sección, lo que favorece la aparición de tensiones entre distintas partes de la pieza.

8.- Análisis del proceso a partir de curvas P-V-T. La figura 8.1 muestra como varía el volumen específico de un polímero semicristalino en función de la temperatura para diferentes presiones (diferencias de presión con la atmosférica). Mientras el material permanece fundido el volumen específico disminuirá paulatinamente conforme el material se enfría. Cuando el material alcanza la temperatura de cristalización se produce una disminución muy acentuada del volumen específico (aumento de la densidad) como consecuencia de la cristalización del material. Cuando el proceso de cristalización finaliza, el volumen específico disminuye otra vez progresivamente al enfriarse el material. Al ser los polímeros fundidos muy compresibles, cuanto mayor sea la presión a la que está sometido el material, menor será el volumen específico del mismo. Estas curvas proporcionan información muy valiosa sobre la evolución de las características del material durante el proceso, ya que sobre las mismas se puede trazar el ciclo de inyección desde que el material entra en el interior de la cavidad hasta que se extrae la pieza.

Figura 8.1.- Curva P-V-T para un material semicristalino. En la figura 8.2 se muestra la evolución de la presión y de la temperatura en el interior de la cavidad. Entre los puntos 0 y 1 tiene lugar el llenado de la cavidad, en el caso de la figura que se muestra el llenado se produce a 240 ºC. Durante el llenado la presión en la cavidad aumenta rápidamente (desde 0 MPa hasta un valor comprendido entre 30 y 65 MPa) mientras que el material apenas se enfría. Durante la fase de compactación (puntos 1 a 2) la presión en el interior del molde prácticamente no varía puesto que el tornillo permanece en posición avanzada introduciendo material para compensar la contracción, de modo que el material todavía en estado fundido evoluciona por una isoentálpica mientras se enfría. Entre los puntos 2 y 3 el material cristaliza, mientras continúa la fase de compactación. Una vez que el material solidifica (punto 3) el pistón de inyección puede retroceder puesto que la entrada a la cavidad queda cerrada. A partir de este momento el material queda aislado en el interior del molde, mientras continúa enfriándose. Simultáneamente disminuye la presión a que está sometido, consecuencia lógica de la disminución de la temperatura, por lo que el material evoluciona desde el punto 3 al punto 4. Una vez que la presión se ha igualado a la presión atmosférica, y que el material se encuentra suficientemente frío, se puede desmoldear la pieza sin riesgo de que se deforme.

Figura 8.2.- Curva P-V-T mostrando las etapas de moldeo. El punto en el que la presión alcanza el valor 0 (presión atmosférica) es fundamental para evaluar la contracción del material, y en consecuencia, las dimensiones finales de la pieza. La calidad de la pieza será óptima cuando se obtenga la mínima diferencia entre el valor del volumen específico en el momento en el que la temperatura se iguala a la del molde y la presión se iguala a la atmosférica. La evolución mostrada en la figura 8.2 es adecuada, ya que la simultaneidad entre la disminución de la temperatura y la caída de presión da como resultado un volumen específico adecuado a temperatura ambiente. Esto supone que gran parte de la contracción de la pieza ha sido compensada con material fundido inyectado. Sobre los diagramas P-V-T es fácil comprobar la influencia de parámetros tales como la temperatura de inyección, presión de compactación, tiempo de compactación y temperatura del molde. En la figura 8.3 se muestra una curva para una pieza en la que la etapa de compactación ha sido demasiado corta. En este caso el punto en que se alcanza la presión atmosférica tiene un volumen específico elevado. La contracción que sufre el material es función de la diferencia de volúmenes específicos entre el punto en el que se alcanza la presión atmosférica (punto 3) y el punto en el que la pieza alcanza la temperatura ambiente (punto 4). En este caso la contracción se verá notablemente acentuada.

Figura 8.3.- Curva P-V-T mostrando la evolución de una pieza en la que el tiempo de compactación ha sido demasiado corto.

En la figura 8.4 se muestra otro ejemplo. En el caso de piezas moldeadas con secciones gruesas, el enfriamiento del material queda limitado a la superficie en contacto con el molde, por lo que se produce de forma muy defectuosa.

Cuando la entrada a la cavidad solidifica, la temperatura media del material es elevada, y lo más probable es que la presión del material en el interior de la cavidad se anule antes de que la temperatura media disminuya hasta la temperatura de extracción, dando lugar a la contracción de la pieza. Este efecto se observa en la figura 8.4. Para contrarrestar este efecto y obtener piezas sin ampollas y con la densidad debida, se podría emplear una presión de inyección mayor y disminuir la temperatura de inyección.

Figura 8.4.- Curva PVT mostrando la evolución de una pieza en la que el enfriamiento es defectuoso. En el caso de piezas moldeadas con secciones delgadas el material inyectado en la cavidad se enfría rápidamente cuando entra en contacto con las paredes frías del molde. Cuando la entrada a la cavidad solidifica la temperatura media del material es baja, pero la presión ejercida puede ser todavía grande. En consecuencia cuando se alcanza la temperatura de extracción, lo más probable es que la presión aún no se haya anulado, dando lugar al "agarrotamiento" de la pieza en el molde. Las posibles soluciones cuando se trata de moldes sencillos son disminuir la presión de inyección, o bien disminuir el tiempo que el émbolo pasa en posición avanzada. De ambas formas se podría conseguir eliminar la presión residual. En el caso de moldes de geometría compleja el problema podría resolverse reduciendo la entrada de las cavidades o mediante el empleo de válvulas especiales, etc. Un problema típico en moldes que tienen entradas pequeñas o mal situadas, ocurre cuando el primer material se inyecta a una velocidad excesivamente grande. En estos casos esta porción inicial de material se enfría muy deprisa, dificultando la entrada del resto del material, con el que no llega a soldar, siendo perceptible las líneas de flujo y de unión entre el material inicial y el resto. La aparición de orientaciones o tensiones congeladas dentro del material también es frecuente. Las tensiones congeladas y formación de capas orientadas se producen como consecuencia del flujo de material una vez que la cavidad del molde se ha llenado y el pistón de inyección permanece en posición avanzada introduciendo más material. Parte del material se encontrará ya formando una capa rígida y fría, mientras que el material que acaba de incorporarse a la cavidad continúa caliente y en movimiento y entra en la cavidad prácticamente a la máxima presión de inyección. Las fuerzas de fricción entre estas capas son muy altas, especialmente en las zonas cercanas a las paredes, y dan lugar a esfuerzos o tensiones de cizalla que tienden a orientar al polímero en la dirección del flujo. Las fuerzas moleculares internas pueden llegar a alabear las piezas si la temperatura de desmoldeo no es suficientemente baja para congelar estas tensiones. Si se aumenta la temperatura del molde pueden reducirse las tensiones internas, puesto que al disminuir la velocidad de enfriamiento las moléculas orientadas pueden relajarse. Un fenómeno frecuente asociado con las tensiones congeladas es el "glaseado o crazing". Con este término se denomina a la aparición de un cuarteamiento superficial, es decir, la formación de pequeñas y numerosas grietas en la superficie del plástico que no se desarrollan hacia el interior.

Existe una considerable contracción de la pieza moldeada a medida que se enfría, y esto es lo que causa que se gripe la parte macho. Las contracciones de volumen (desde la temperatura del fundido a 20 ° C) están por debajo del 10 % para los polímeros vítreos y entre el 10 y el 20% para los polímeros cristalinos (Tabla 8.1) Tabla 8.1.- Reducción de volumen enfriando a la presión atmosférica.

Si el molde se llenará a la presión atmosférica, la pieza presentaría huecos y marcas de hundimiento después del enfriamiento, debido a la contracción de volumen. Esta formidable problema se resuelve de la siguiente manera (Figura 8.5). Durante la etapa A-B el polímero fundido en el molde se presuriza. La aplicación de 1000 atmósferas (100 MPa) de presión a un polímero fundido produce una contracción del 10 %.

V P 103 x1.01x105    0.101 V K 109 Luego hay que tener en cuenta que si un molde se llena con una presión de 1000 atmósferas contendrá, aproximadamente, un 10 % más de polímero, que si se llena a 1 atmósfera. • Durante la etapa B-C, el polímero se enfría bajo presión, el molde se llena continuamente con más polímero fundido que compensa la contracción térmica. Debe evitarse el exceso de empaquetamiento, ya que da lugar a que el polímero se extruya entre las caras de las dos mitades del molde (“flashing”). El producto moldeado se tensiona, pandea y es más difícil su eyección. • En el punto C de la compuerta solidifica, sellando la cavidad del molde, lo que evita un llenado posterior. Como la compuerta es estrecha, a menudo solidifica (cristaliza o alcanza el valor de Tg) antes que la mayor parte del resto de la pieza moldeada. • Durante la fase C-D el polímero se enfría a volumen constante disminuyendo la presión, hasta que se alcanza la presión atmosférica en el punto D. • Durante la etapa D-E la pieza moldeada se enfría libremente y experimenta una contracción térmica normal. La contracción fraccional final de la pieza, en comparación con el volumen de la cavidad del molde es:

C1  1 

vE v D  vE  vD vD

(típicamente del orden del 1%),

mientras que la contracción térmica libre desde el estado fundido sería:

C2  1 

v E v A  vE  vA vA

(típicamente del orden del 10 %).

El enfriamiento a presión es claramente una característica esencial en el moldeo por inyección, vital para la producción de piezas con dimensiones bien controladas. El logro de esta precisión dimensional, sin embargo, se basa en la capacidad de la máquina de moldeo por inyección para soportar enormes presiones en la masa fundida de polímero. En particular, se requiere una fuerza de apriete grande con el fin de mantener el molde herméticamente cerrado cuando la presión está en su valor máximo.

Figura 8.5.- Diagrama esquemático P-V-T que muestra el camino seguido por un polímero amorfo durante el moldeo por inyección. Las líneas a, b, c representan isobaras de presión cada vez mayor. 9.- Variantes del proceso de moldeo por inyección. 9.1.- Moldeo tipo sandwich . Uno de los métodos para mejorar la rigidez estructural de los componentes plásticos es producir, paneles tipo sandwich. Existen dos posibilidades, bien utilizando un sistema con un solo polímero para producir una espuma estructural , o bien combinando dos sistemas de polímeros pasa formar una capa superficial y un núcleo (sándwich). Las espumas estructurales se producen mediante dispersión de un gas inerte directamente a través del polímero fundido antes de pasarlo al molde. Esto se consigue añadiendo un agente químico espumante, que libere el gas cuando esté se caliente, o inyectándole gas directamente (Usualmente nitrógeno). Cuando la mezcla comprimida de gas/polímero se inyecta rápidamente en el molde, el gas se expande y fuerza al material a ir hacia todas las partes de molde. En ambos casos el polímero fundido va a enfriar contra las paredes del molde antes de que el gas se disperse totalmente con lo que el producto resultante del moldeo va a tener una capa superficial densa y un corazón poroso. Las ventajas de este método son: (i).- Para un determinado peso los paneles sándwich son más rígidos que los sólidos. (ii).- Casi están completamente libres de efectos de orientación y la contracción es uniforme. (iii).- Se pueden realizar secciones de espesor elevado sin que aparezcan depresiones superficiales.

Las espumas estructurales pueden fabricarse, con buenos resultados, usando las máquinas de inyección normales (Figura 9.1.1.a). Sin embargo, las limitaciones de la cantidad de alimentación en cada ciclo, la velocidad de inyección y el área de las placas impuestas por las máquinas convencionales impiden realizar la posibilidad, que tienen las espumas estructurales, de producir piezas de gran tamaño. Por ello, se han desarrollado máquinas especiales para la fabricación de piezas de mas de 50 kg (Figura 9.1.1.b).

Figura 9.1.1.- Maquinas de inyección para la fabricación de espumas estructurales. Las secciones de las paredes en el moldeo de espumas estructurales tienen mayor espesor que el caso normal, esto unido a que la conductividad térmica de la espuma es más baja, hace que el tiempo del ciclo de moldeo sea mayor. En contraste, las presiones de inyección son menores. Esto significa que las fuerzas de apriete son más pequeñas y los moldes serán más baratos debido a que para su fabricación se pueden usar materiales de menor resistencia. Los paneles tipo sandwich formados por dos sistemas de polímeros distintos (o dos formas distintas del mismo polímero) solo pueden ser producidos usando maquinaria muy especializada (Figura 9.1.2). Como la parte importante del sándwich es la piel exterior, para esta se usa un material de altas características (caro) y para el núcleo central un de bajo coste o reciclado. En primer lugar, se inyecta el volumen de polímero que se necesita para formar las capas superficiales (piel), quedando parcialmente lleno el molde. El polímero que constituye el núcleo es inyectado a continuación y fluye en régimen laminar por el interior del molde, hasta que se llena la cavidad como muestra la figura 9.1.2.c. Finalmente la válvula de la boquilla gira de tal modo que se inyecta de nuevo el material que constituye la capa superficial para limpiar la cavidad de entrada al molde de material del núcleo y quedar así el molde preparado para la siguiente pieza.

Figura 9.1.2.- Etapas de proceso de moldeo de por inyección de una estructura tipo sándwich Para conseguir un óptimo rendimiento con un coste relativamente pequeño, el material que constituye la capa superficial es normalmente un polímero de alta calidad, mientras que el polímero que constituye el núcleo es normalmente un plástico barato (que puede estar espumado o no). Sin embargo, para algunas aplicaciones el material del núcleo resulta critico. Esto se presenta en piezas para ordenadores, equipos electrónicas y algunas partes de los automóviles. Es estas aplicaciones hay una demanda creciente de tapas y cajas que contengan un relleno conductivo, que es caro, para satisfacer los requerimientos protección de interferencia electromagnéticas (EMI). 9.2.- Moldeado por inyección con gas (RIM). Los materiales huecos pueden ofrecer ventajas similares a los de los paneles tipo sandwich en el sentido de que se mejora la rigidez estructural y se reduce peso. Sin embargo, hasta hace poco tiempo la producción de materiales huecos solo era posible utilizando diseños muy complicados en los moldes y utilizando en el núcleo materiales fusibles o 'renovables". El moldeado por inyección con gas (figura 9.2.1) ofrece una alternativa. Moldear por inyección química y su modificación que usa refuerzo (RRIM, Reinforced Reaction Injection Moulding), difieren del moldeo compacto por inyección común en que se usan resinas líquidas reactivas en vez de un polímero fundido. No hay extrusor, sino un sistema de almacenamiento y suministro de las resinas reactivas. Por lo común, hay dos componentes que reaccionan químicamente en forma espontánea cuando se mezclan. Estos se dosifican y se mezclan justo antes de inyectarlos en el molde (Figura 9.2.1). Por lo común, el sistema químico es de poliuretano, aunque actualmente se investigan algunos otros, los poliuretanos y sistemas relacionados como las poliureas dan buenos resultados cuando se usan en el proceso y se adaptan muy bien entre ellos por lo que se pueden hacer variaciones para lograr objetivos diferentes. El procedimiento del moldeo por inyección con reacción se efectúa a temperaturas bajas y las presiones de inyección son bajas debido a los reactantes tienen una viscosidad baja. Nominalmente se requiere mantener calientes, a 60 ó 90 ºC, los sistemas de almacenamiento y circulación. La circulación es continua y con ello se mantienen homogéneos los componentes. Cuando se requiere una carga, se abre una válvula de pistón que admite cantidades precisas de los dos componentes.

Figura 9.2.1.- Moldeo por inyección con reacción química. Hay dos posibilidades para mezclar; en los sistemas de baja presión (se usan, por ejemplo, para elaborar suelas de zapato) un tornillo de alta velocidad (15000 rpm) mezcla las corrientes antes de la inyección. En los sistemas de alta presión todo el sistema de circulación está a alta presión y la mezcla se produce debido al choque de las dos corrientes. En los dos sistemas se usa un poco de espuma de expansión. Algunos productos son espumas flexibles, pero otros se expanden muy poco, un 110%, lo cual permite que la expansión llene el molde. Se trabaja con poca fuerza de apriete del molde y se puede hacer moldes baratos, con materiales diferentes del acero. Así, en la obtención de partes para carrocería de automóvil en moldeo reforzado por inyección con reacción se produjeron partes planas de gran tamaño que pesaban 5 kg y se necesitaba una fuerza de apriete de 50 toneladas. En la tabla 9.2.1 hay una comparación de esta fuerza con otras que se requieren en otros procesos . En general, la baja temperatura de trabajo y la ausencia del costoso extrusor, que se acopla con la prensa de bajo peso que se requiere, significa que la planta de moldeo por inyección con reacción cuesta menos que las plantas de moldeo compacto por inyección, el moldeo por espuma estructural y el moldeo por emparedado (Sándwich). Son los sistemas de alta presión que se crearon en años recientes para producir partes de automóvil; el interés inicial se hallaba en las partes que absorben los choques en las defensas, pero recientemente se volvieron importantes los paneles de la carrocería y las molduras de carátulas de instrumentos internos. Al principio hubo dos desventajas: las molduras eran muy diferentes en su expansión térmica de las partes de acero a las cuales se adherían y no podían tolerar, sin colgarse, las temperaturas a las que se horneaba la pintura. El

refuerzo con fibras de vidrio cortas (2 mm) proporcionó una mejora útil en ambas propiedades y el proceso de moldeo por inyección con reacción y refuerzo ganó importancia en el campo de los paneles de carrocería. Tabla 9.2.1.- Comparación entre las fuerzas de apriete de diferentes procesos.

En la figura 9.2.2 puede verse la fabricación por moldeo con inyección de gas de una manilla de un automóvil.

Figura 9.2.2.- Moldeo con inyección de gas de una manilla de un automóvil. El proceso comienza con la inyección del volumen deseado de polímero en el interior del molde. A continuación una cantidad predeterminada de gas se inyecta y a medida que la parte exterior del producto se enfría por contacto con las paredes del molde el gas fluye a través de la región central (menos viscosa). Cuando el producto ha enfriado totalmente en el molde, se abre esté y el gas que ha quedado retenido en el núcleo de la pieza se abre camino quedando hecho un producto hueco.

9.3.- SCORIM: Shear Controlled Orientation in lnjection Moulding. El proceso de moldeo por inyección convencional puede dar lugar a la formación de líneas de “soldadura” donde convergen los dos frentes de avance del polímero fundido. Estas áreas son especialmente frágiles y han de evitarse en la medida de lo posible. Una solución que ha sido desarrollada en los últimos años es el proceso SCORIM (figura 9.3.1). Este proceso lleva consigo el uso de pulsos de presión a través de numerosas cavidades de entrada que hacen que se mantenga en circulación el polímero fundido una vez que el molde está lleno. Esto se consigue con el uso de pistones hidráulicos al comienzo de cada canal de salida de la máquina, estos son accionados alternativamente para conseguir mover el polímero fundido dentro del molde. Después de transcurrido un tiempo predeterminado, los dos pistones se usan para proporcionar presión adicional de empuje. Este proceso proporciona las siguientes ventajas : - Se eliminan las líneas de soldadura y, por tanto, las discontinuidades mecánicas. - Reduce la posibilidad de la presencia de depresiones superficiales debidas a un enfriamiento diferencial. - Se produce una orientación de la estructura molecular o para productos reforzados con fibras un alineamiento de las fibras, con lo que se mejoran las propiedades mecánicas. El principal inconveniente de esta técnica es el incremento de coste de la máquina de inyección y el aumento de la complejidad del sistema de control del proceso. Sin embargo, lo anterior puede ser compensado por una mayor calidad de los productos obtenidos, en particular para los de gran volumen y/o de alta calidad (altas prestaciones). Esta tecnología está disponible bajo licencia de la empresa Cinpres Ltd.

Figura 9.3.1.- Representación esquemática del proceso SCORIM.

10.- Cálculos de llenado en el moldeo por inyección. 10.1.- Presiones de llenado. Se trata de calcular la mínima presión a la entrada (Gate) para llenar una determinada cavidad, lo que es equivalente a la caída de presión desde la entrada hasta el punto más alejado del molde. En el siguiente análisis se considera que el material no se enfría durante el llenado y que es un fluido newtoniano (aunque también pueden desarrollarse expresiones para fluidos no newtonianos). Cavidad rectangular (Profundidad h).

Pmin = Caída de presión  P =

12a LQ Th3

Cavidad circular. Esta es una situación de flujo desde el centro de radio nominal R1 hasta la pared exterior de radio . Para un elemento situado en el radio r, como se muestra en la figura 6.1.2, el flujo puede considerarse como el correspondiente al paso a través de un canal rectangular con las siguientes dimensiones : Anchura T = 2r

,

Altura h

,

Longitud L = dr

La caída de presión a través del elemento anterior viene dada por :

dP  

12a Qdr 2 rh3

(10.1.1)

y la caída total desde R1 hasta R1:

P 

R2



R1

12a Qdr 12a Q 2 dr  = 2 rh3 2 h3 R1 r R

(10.1.2)

e integrando : Pmin = P 

6Q  R2  ln    h3  R1 

(10.1.3)

Aunque, en general, la presión mínima requerida para llenar el molde puede calcularse, tal presión nunca es suficiente para producir piezas de buena calidad. Por tanto, se requiere una presión adicional para la compactación del material en el molde y para compensar la contracción que ocurre durante el enfriamiento. Así, cuando el polímero se contrae la denominada presión de sostenimiento “ hold-on” fuerza la entrada de más material en el molde. Son típicas presiones de hasta el doble de la mínima calculada.

10.2.- Fuerzas de apriete. Para prevenir la abertura del molde durante la inyección y mantenerlo cerrado debe aplicarse la suficiente fuerza de apriete, la cual puede calcularse si se conoce la distribución de presión dentro de la cavidad. Así, se previene el escape del molde de una película de plástico a través de la superficie de unión de las placas del molde. La experiencia práctica sugiere que la presión de apriete sobre el área proyectada del molde debe estar comprendida entre 10 y 50 MN/m2 , dependiendo de factores tales como: forma, espesor y tipo de material. La fuerza de apriete puede estimarse como sigue: Cavidad rectangular. La fuerza requerida para apretar el elemento del molde de longitud dx es el producto de la presión por el área del elemento : (10.2.1)  F  Px A  PTdx x y la fuerza total : L

F   PxTdx

(10.2.2)

0

Para una presión a la entrada PG y asumiendo una distribución de presión lineal :

x  P  P x  L 

Px =

(10.2.3)

Por tanto,

 L P   P  x F = T   Px    P dx = T  PG L   = TL  PG   2  2  L    0 L

(10.2.4)

En otras palabras : Fuerza de apriete : Presión media x Área proyectada Para la mínima presión en el orificio de inyección del material (gate): P G = Pmin y, por tanto, P = Pmin , y la fuerza de apriete es: P F = TL min (10.2.5) 2 Cavidad circular. La fuerza en la corona circular sombreada viene dada por: e integrando a todo el disco:

dF = Pr2rdr

F = 2



R

0

Pr rdr

(10.2.6)

Para poder realizar la integral es necesario conocer Pr en función de r. Estudios experimentales han sugerido un relación empírica de la forma: m  r  Pr = P0 1     (10.2.7)   R   donde: P0 = Presión en el orificio de inyección del material en el molde. m = Constante cuyo valor, usualmente, esta comprendido entre 0.3 y 0.75. Se puede mostrar que m = 1 – n donde n es el índice de la ley potencial.

Sustituyendo (7.2.6) en (7.2.5) se obtiene:

F = 2



R

0

  r m  P0 1     rdr   R  

e integrando: F = R2 P0

m m2

(10.2.8)

Esta simple expresión, puede usarse para formas más complejas pero cuya área proyectada puede ser m aproximada por un círculo. Para un determinado material la relación puede estimarse a partir de las m2 curvas de flujo del material, siendo dependiente de la temperatura y, en menor medida, de la presión. 10.3.- Tiempos de llenado del molde. El tiempo de llenado del molde puede calcularse mediante : tf 

Volumen total Caudal volumetrico

Para un molde con cavidad rectangular:

tf 

TLh Q

Para un molde con cavidad circular

tf 

 h( R22  R12 ) Q

10.4.- Tiempo de ciclo. Tiempo de enfriamiento. En la figura 10.4.1 puede la variación de presión y temperatura durante un ciclo del proceso de moldeo por inyección. El tiempo de duración de un ciclo, que suele estar comprendido entre 10 – 30 segundos, es igual a:

tCICLO  tCIERRE  APERTURA  tLLENADO ( INYECCIÓN )  tENFRIAMIENTO

(10.4.1)

El tiempo que tarda un ciclo permite establecer el tiempo necesario para producir un número determinado de piezas, el costo y la rentabilidad de la producción. Dentro de las etapas del ciclo de inyección , las etapas de cierre y apertura del molde se efectúan consumiendo siempre el mismo tiempo. La suma de estas etapas dan el tiempo del ciclo en vacío, que es una constante de la máquina y es indicada por el fabricante. Como se desprende de la figura 7.4.1, el tiempo de enfriamiento es el que domina el tiempo del ciclo, en general más de los 2/3.

El tiempo de llenado (Inyección) se determina mediante la expresión:

tINYECCION 

2VS p j Pj

(10.4.2)

donde:

Pj  Potencia de inyección (W)

p j = Presión recomendada de inyección (N/m2)

 

3 VS = Volumen requerido m

También se puede determinar mediante la expresión empírica referenciada por J. Bown:

tINYECCION (s ) 

 Fm  S  Fl

  

3

 T T  8 M W   TE  TW 

3

(10.4.3)

donde: S = Espesor de pared mínimo de la pieza (cm). Fm = Recorrido máximo del fundido desde la entrada (cm). Fl = Relación entre (Recorrido de flujo/Espesor de pared) para el material a inyectar. TW = Temperatura de la pared del molde (º C) TM = Temperatura del plástico fundido (ºC) TE = Temperatura de eyección (ºC) (temperatura de distorsión bajo carga (HDT) del material)

Figura 10.4.1.- Variación de presión y temperatura durante un ciclo del proceso de moldeo por inyección.

El tiempo de enfriamiento mínimo viene dado por la expresión:

tENFRIAMIENTO

MINIMO



h2



Ln 2

4  TM  TW      TE  TW 

donde: h = La mitad del espesor máximo (m). α = Difusividad térmica (m2/s) TW = Temperatura de la pared del molde (º C) TM = Temperatura del plástico fundido (ºC) TE = Temperatura de eyección (ºC) En la tabla 10.4.1 se dan datos para el proceso de moldeo por inyección de diversos polímeros. Tabla 10.4.1.- Datos para el proceso de moldeo por inyección de diversos polímeros.

El tiempo de enfriamiento depende de varios factores:    

Dispositivo de refrigeración del molde Liquido de refrigeración Forma y espesor de la pieza Tipo de material a inyectar

(10.4.3)

11.- Algunos aspectos de la calidad del producto. 11.1.-Fundamentos de la respuesta del material. Puede considerarse al procedimiento de moldeo por inyección como una trilogía cuyos componentes son • la unidad de inyección • el molde • el polímero Se trata de estudiar el comportamiento del material durante su tratamiento y sus efectos sobre la calidad del producto. Los principales parámetros de control del proceso son: • la temperatura del material fundido • la temperatura del molde • la presión de inyección y la presión de retención • la velocidad de inyección • la distribución del tiempo para las diversas partes del ciclo del proceso. Se evitan algunas dificultades mediante un buen diseño del producto y del molde en primer lugar, y conviene entonces considerar algunos de estos antes de pasar a estudiar los efectos de los factores de control del proceso. 11.2.- Aspectos de diseño. Entre los problemas de calidad que pueden reducirse con frecuencia por medio del diseño se pueden enumerar los siguientes: • líneas de soldadura • marcas de hundimientos y huecos • concentraciones de esfuerzos en esquinas que conducen a la falla del producto en servicio • selección del material más conveniente para el producto. (a).-Líneas de soldadura. Estas se forman donde se encuentran los flujos de polímeros y algunas veces pueden evitarse. Por ejemplo, la pieza moldeada con forma de tina de baño de la figura11.2.1a tiene líneas de soldadura, mientras la del molde de tres placas de la figura 11.2.1b no las presenta. Si son inevitables las soldaduras, por lo común se pueden mover a una posición en donde sean poco importantes gracias al control de la posición de la compuerta.

(a)

(b) Figura 11.2.1.- (a) Tina de baño con líneas de soldadura (b) Tina de baño sin líneas de soldadura Una vez que el diseño reduce el problema, puede aplicarse el control del proceso para disminuir el efecto. Esto significa asegurar temperaturas y presión adecuadas para una buena soldadura. Una soldadura es siempre una trampa potencial de aire, debido a la convergencia de los frentes de fusión, de modo que en este punto puede requerirse sacar el aire.

(b).- Marcas de hundimientos y huecos. Estos defectos de moldeo se producen cuando la sección del producto es demasiado gruesa. La parte gruesa retiene calor y se hunde por las fuerzas de contracción, especialmente durante la cristalización en la que hay un gran cambio de densidad. Si se endurece la capa exterior y, entonces, resiste un posterior hundimiento, se forman huecos internos cuando se excede la resistencia a la tracción del material fundido en proceso de solidificación. Este es principalmente un problema de diseño, por lo que se evitan tanto como sea posible las secciones gruesas, pero puede ayudar un control cuidadoso de la presión de retención. Cuando se requieren secciones gruesas en una pieza moldeada, por ejemplo, para darle rigidez, es mejor usar un procedimiento modificado como el del moldeo en núcleo de espuma, que evita el problema de hundimiento y de formación de huecos a la vez. Como una opción, se puede usar un patrón de costillas de sección delgada (figura 11.2.2).

Figura 11.2.2.- El uso de costillas en vez de una sección sólida. (c).- Concentraciones de esfuerzos. La consecuencia de las concentraciones de esfuerzos en piezas moldeadas con esquinas agudas puede ser por lo común, la fractura, especialmente si el producto soporta carga. Algunas veces es la distorsión presente cuando se usan polímeros reforzados con fibra. En la figura 11.2.3 se ilustra lo anterior y se muestran algunas características de diseño que pueden ayudar.

Figura 11.2.3.- Características de diseño para evitar los efectos de las esquinas agudas.

(d).- Diseño del molde por computadora. Un avance importante de los últimos es el uso de los métodos de diseño por computadora, iniciado por la compañía Moldflow . El banco de datos del sistema contiene datos reológicos, de temperatura y de presión de varios polímeros. Con la computadora se puede simular un diseño de molde que se proponga y analizar el flujo de material fundido en él. Pueden probarse diversos tamaños y posiciones de bebederos y compuertas hasta encontrar los óptimos. La técnica es muy valiosa para los complejos moldes de cavidades múltiples, donde el patrón de flujo puede ser difícil si no imposible de predecir. Tradicionalmente, se elaboraban esas herramientas con canales subdimensionados que luego se ajustaban en la planta mediante métodos de prueba y error, lo cual es un procedimiento laborioso y caro. El programa de Moldflow permite la simulación de pruebas y la fabricación directa de un molde perfecto. (e).- Selección del polímero El tema de la selección del polímero correcto para un uso determinado es complejo. Realmente no es posible obtener una guía completa y en gran parte depende de la experiencia individual y, por lo común, se encuentra que varios polímeros trabajan igualmente bien. En esos casos, la decisión final depende del costo y de las preferencias del productor. Sin embargo, una vez más, el surgimiento de los ordenadores hizo posible un diseño por computadora para este problema. Se usan bancos de datos que contienen las propiedades generales, mecánicas, eléctricas, etc. de muchos polímeros. De éstas se escogen las que igualen los requerimientos de diseño del producto, y se seleccionan los materiales adecuados mediante el ordenador. Un ejemplo es el sistema “EPOS”, producido conjuntamente por ICIplc y LNP Plastics Ltd 11.3.- Efectos de la presión y del calor debido a esfuerzos de corte. En los bebederos estrechos de un molde de inyección, la velocidad de corte es unos 103 s-1 y en el estrechamiento de la compuerta es del orden de 105 s-1. El sistema total, desde luego, funciona sólo debido a que el polímero se comporta pseudoplásticamente. Otro efecto de los esfuerzos de corte es la generación de calor que es un aspecto importante del calentamiento del polímero conforme avanza en el barril o camisa. Así, durante la inyección, la temperatura se eleva en proporción a la caída de presión que hay conforme el material fundido se mueve a través de los canales: la temperatura aumenta aproximadamente 1 ºC por 1 MPa de caída de presión. Además, conforme se presuriza el material fundido, se produce un efecto de la presión sobre la viscosidad. El efecto consiste en incrementar la viscosidad y este efecto se considera equivalente al incremento en la viscosidad que se observa al enfriarse, o sea, puede considerarse a la presión como una “temperatura negativa” equivalente. La magnitud es de nuevo del orden de -1ºC por MPa de incremento de presión. Así, para modificaciones en las condiciones del flujo de corte, los efectos del calentamiento debido al esfuerzo cortante y de la presión son opuestos y se cancelan aproximadamente uno a otro. Como una regla, puede decirse que se obtiene un mayor error si se toma en cuenta sólo uno u otro que si se ignoran ambos. 11.4.- Orientación. Uno de los aspectos más importantes en el moldeo por inyección es la orientación del polímero al entrar en la cavidad del molde y después cuando solidifica. En los productos obtenidos por extrusión, por lo común se desea esta orientación que intensifica las propiedades, pero en el moldeo por inyección es un problema. Entonces, lo normal es minimizar la orientación, pero esto tiene que balancearse contra el factor económico de utilizar ciclos rápidos de moldeo, lo cual a su vez representa un enfriamiento rápido de las piezas moldeadas y la consiguiente congelación de las distribuciones orientadas. Si la orientación es marcada, en especial con polímeros cristalinos, quedan esfuerzos que podrían provocar la distorsión de las piezas moldeadas, ya sea con lentitud, si los esfuerzos se alivian espontáneamente, o con rapidez, si el material se somete a temperaturas de servicio elevadas.

¿Cuáles patrones de orientación se encuentran probablemente? Un ejemplo simple sería una pieza moldeada rectangular con compuerta terminal. En la figura 11.4.1 se muestra el patrón de orientación. 1.- Cuando el material fundido entra al molde hay poca orientación conforme el material se pone en contacto con la pared del molde. Esto genera una capa de baja orientación. 2.- La mayor parte del flujo es laminar y altamente orientado. Así, dentro de la capa delgada aparece una capa de alta orientación. 3.- El centro puede estar menos orientado debido a que permanece caliente, aislado por las capas externas que son muy grandes para reconocerse.

Figura 11.4.1.- Patrón de orientación en una pieza moldeada. En la figura 11.4.2 se puede ver otro patrón de orientación, quizá en una pieza moldeada de gran tamaño. En la compuerta estrecha puede producirse patrones de alta orientación bajo condiciones de alto esfuerzo, y puede iniciarse la cristalización gracias al esfuerzo; ésta puede dar lugar a núcleos que controlarán el patrón de cristalización en la pieza moldeada conforme se enfría. Además, el flujo divergente puede generar esfuerzos tangenciales de tracción que deforman o agrietan la pieza moldeada

Figura 11.4.2.- Efectos de la orientación en el frente de fusión. 11.5.- Contracción. Otro aspecto de gran interés para el fabricante de moldes es el de la contracción. Esta es la diferencia de tamaño entre el molde y la pieza moldeada fría. La causa principal es el cambio en densidad que se produce cuando solidifica el polímero. Los polímeros cristalinos, por ejemplo, el acetal, el nylon, el polietileno de alta densidad, el polietilentereftalato y el polipropileno causan los problemas más serios con contracciones desde 1 hasta el 4 %. Los polímeros amorfos, por ejemplo, el poliestireno, el acrílico y el policarbonato son más tratables, con contracciones de sólo 0.3 a 0.7 % ( Tabla 11.5.1).

Tabla 11.5.1.- Algunos valores aproximados de la contracción.

Para obtener los mejores resultados se usa una combinación de factores de diseño y de control del proceso. Entre los factores de diseño se incluyen la selección de un polímero de baja contracción en caso de que sea importante la precisión dimensional. Son útiles los polímeros con relleno, especialmente los que contienen vidrio. Algunas veces esto no es posible, por ejemplo, para engranajes, los cuales requieren la resistencia que tienen los polímeros cristalinos a la fricción y al desgaste. No obstante, se requieren dimensiones precisas y es necesario “desviarse” ligeramente de las dimensiones del molde. Para que esto sea efectivo, la contracción debe ser completamente predecible, y esto requiere del diseño simétrico del producto y de un diseño de molde que asegure un flujo uniforme y simétrico . Por lo común, esto significa maximizar el área de la compuerta y colocar cuidadosamente las compuertas. Los factores de control del proceso incluyen la reducción de la temperatura del molde y el uso de un programa óptimo de inyección, así como de velocidades y presiones adecuadas de retención. Lo mejor es usar la presión máxima para obtener un llenado rápido y mantener alguna presión de retención hasta que el material solidifique en la compuerta; esto también evita algunas otras fallas. En la figura 11.5.1 se resumen estos factores.

Figura 11.5.1.- Efectos de las condiciones de tratamiento sobre la contracción.

11.6.- Perfil de inyección. Para todas las operaciones de moldeo, la optimización del ciclo de inyección compensa el esfuerzo que se hace para mejorar. Como mínimo, la optimización asegura el uso eficaz del material y genera pocos desperdicios; por lo común, ésta es la diferencia entre una pieza bien hecha y una defectuosa. A continuación, el procedimiento de inyección se divide en dos secciones, a saber, llenar y empacar o retener. Llenar depende de la velocidad. Idealmente, llenar debería ser rápido, para permitir que la válvula de no retroceso funcione rápida y positivamente. Una máquina moderna que se puede programar permite variar la velocidad, por ejemplo • Llenar rápido el sistema del canal de alimentación y bebedero • Retardar para evitar que haya chorros a través de la compuerta • Una vez que se empieza a llenar la cavidad principal, incrementar de nuevo la velocidad hasta que esté llena • Disponer de posteriores variaciones de la velocidad para equilibrar los núcleos u otros estrechamientos en el molde. Esta parte del programa relaciona velocidad con distancia. En este punto, se empieza a empacar. El programa cambia a presión contra tiempo. Se usa la presión correcta para llenar uniformemente el molde, pero evitar empacar de más, que generaría piezas moldeadas con esfuerzos residuales y sobrepeso. La presión con que se empaca puede variar a través del ciclo para evitar la fuga de material antes de que solidifique la superficie de la pieza moldeada, luego se incrementa para comprimir y eliminar los huecos y se baja para evitar los esfuerzos hasta que el material solidifique en la compuerta. Para un nuevo producto, puede emplearse este programa recurriendo a la experiencia ya varias corridas de prueba. Para una moderna máquina que se controla con microprocesador, la información del programa puede entonces almacenarse en disco o cintas, y está disponible para usarse en corridas posteriores. 12.-Moldeo de termoestables por inyección Los polímeros termoestables se transformaron tradicionalmente mediante moldeo de compresión), pero recientemente se ha desarrollado el moldeo por inyección para estos materiales. Entre ellos se incluyen las resinas fenol-formaldehído y urea-formaldehído y también los compuestos que se basan en poliésteres insaturados, especialmente el compuesto para moldeo en pasta. Para las resinas termoestables, las condiciones de moldeo por inyección son más o menos lo contrario de las correspondientes a los termoplásticos. El tornillo funciona a temperaturas mucho más bajas para evitar el curado prematuro de la resma reactiva. El molde está muy caliente para curar rápidamente la resma termoestable. Las temperaturas normales del barril son de 75 a 80 ºC para los productos fenólicos, alrededor de 100 ºC para la melamina. La relación de compresión del tornillo es baja, 1 o 1.1, para evitar el sobrecalentamiento local debido a las fuerzas de corte. El compuesto para moldeo en pasta puede trabajarse de forma adecuada con un tornillo que se enfríe con agua y sin compresión. No es necesario enfriar el molde antes de expulsar la pieza moldeada. Un ejemplo es la pieza moldeada en compuesto para moldeo en pasta de los reflectores de faros delanteros de los vehículos. La demanda creciente exige dos condiciones principales en un reflector: (1).- Que soporte altas temperaturas sin sufrir distorsión (hasta 200 ºC en algunos casos) (2).- Que tenga capacidad para la producción en masa de reflectores con curvas múltiples complejas en tres dimensiones. El segundo de estos requerimientos provoca que se tengan que seleccionar piezas moldeadas en lugar de las troqueladas de acero. La necesidad de soportar la temperatura conduce a un termoestable, Hay que señalar, sin embargo, el método competitivo en el que se usan moldeo de emparedado y termoplásticos .

El material seleccionado es el compuesto para moldeo en pasta el cual es una resma insaturada de poliéster, de consistencia, de jarabe mezclado con fibra de vidrio corta y rellena con dolomita. Como su nombre lo dice, es pastosa cuando se mezcla. Se carga a presión en una máquina de moldeo por inyección cuyo tornillo se enfría y se inyecta en un molde a 180 ºC. 13.- Problemas del moldeo por inyección. En la tabla 13.1 se dan algunos de los problemas que pueden aparecer en el moldeo por inyección, mencionando las causas y las posibles soluciones. Tabla 13-1. Problemas del moldeo por inyección