Introduccion
El moldeo por inyección es una técnica muy popular para la fabricación de artículos muy diferentes. Sólo en los Estados Unidos,
la industria del plástico ha crecido a una tasa de 12% anual durante
los últimos 25 años, y el principal proceso de transformación de
plástico es el moldeo por inyección, seguido del de extrusión. Un ejemplo de productos fabricados por esta técnica son los famosos bloques interconectables LEGO y juguetes Playmobil, así como una gran cantidad de componentes de automóviles, componentes para aviones y naves espaciales.
Los polímeros han logrado sustituir otros materiales como son madera, metales, fibras naturales, cerámicas y hasta piedras preciosas; el moldeo por inyección es un proceso ambientalmente más favorable comparado con la fabricación de papel, la tala de árboles
o cromados. Ya que no contamina el ambiente de forma directa, no emite
gases ni desechos acuosos, con bajos niveles de ruido. Sin embargo, no
todos los plásticos pueden ser reciclados y algunos susceptibles de ser reciclados son depositados en el ambiente, causando daños al medio ambiente.
Moldeado por inyección: Es el proceso más practico, la operación es fácil, pero el equipo no. Un material Termoplástico, que es viscoso a temperatura elevadas y es estable a temperaturas del ambiente, se mantiene caliente. El material es forzado desde el reservorio hasta un molde que es mantenido a bajas temperaturas, el molde es abierto tan pronto como el material se enfría, la velocidad del ciclo es determinada por la rapidez con que el material usado se enfría, esto depende en la coductibilidad térmica del material. El 60% de las máquinas de transformación de plástico son máquinas de inyección.
Piezas desde un peso de miligramos hasta 100 Kg.
La inyección es un proceso repetitivo en el que plástico fundido es
inyectado en un molde, donde se le mantiene bajo presión hasta que sea
removido en un estado sólido, duplicando básicamente la cavidad del
molde.
Es un proceso semicontinuo que consiste en inyectar un polímero, cerámico o un metal en estado fundido (o ahulado) en un molde cerrado a presión y frío, a través de un orificio pequeño llamado compuerta. En ese molde el material se solidifica, comenzando a cristalizar en polímeros semicristalinos. La pieza o parte final se obtiene al abrir el molde y sacar de la cavidad la pieza moldeada.
Historia
John Hyatt registró en 1872 la primera patente
de una máquina de inyección, la cual consistía en un pistón que
contenía en la cámara derivados celulósicos fundidos. Sin embargo, se
atribuye a la compañía alemana Cellon-Werkw el haber sido pionera de la máquina de inyección moderna.
El primer artículo de producción masiva en Inglaterra fue la pluma fuente,
producida durante los años treinta por la compañía Mentmore
Manufacturing. La misma utilizaba máquinas de moldeo por inyección de
Eckert & Ziegler (Alemania). Estas máquinas funcionaban
originalmente con aire comprimido (aproximadamente 31 kg/cm2);
el sistema de apertura de molde y la extracción de la pieza eran
realizados manualmente, y los controles incluían válvulas manuales, sin
control automático ni pantallas digitales; además, carecían de sistemas
de seguridad.
Maquinaria
Las partes más importantes de la máquina son:
Unidad de inyección
La función principal de la unidad de inyección es la de fundir,
mezclar e inyectar el polímero. Para lograr esto se utilizan husillos de
diferentes características según el polímero que se desea fundir. El
estudio del proceso de fusión de un polímero en la unidad de inyección
debe considerar tres condiciones termodinámicas:
- Las temperaturas de procesamiento del polímero.
- La capacidad calorífica del polímero Cp [cal/g °C].
- El calor latente de fusión, si el polímero es semicristalino.
El proceso de fusión necesita de un aumento de la temperatura del polímero, que resulta del calentamiento y la fricción
de este con la cámara y el husillo. La fricción y esfuerzos cortantes
son básicos para una fusión eficiente, dado que los polímeros no son
buenos conductores de calor. Un incremento en temperatura disminuye la viscosidad
del polímero fundido; lo mismo sucede al incrementar la velocidad de
corte. Por ello ambos parámetros deben ser ajustados durante el proceso.
Existen, además, cámaras y husillos fabricados con diferentes
aleaciones de metales, para cada polímero, con el fin de evitar el
desgaste, la corrosión o la degradación. Con algunas excepciones —como
el PVC—, la mayoría de los plásticos pueden utilizarse en las mismas
máquinas.
Unidad de cierre
Es una prensa hidráulica o mecánica, con una fuerza
de cierre suficiente para contrarrestar la fuerza ejercida por el
polímero fundido al ser inyectado en el molde. Las fuerzas localizadas
pueden generar presiones del orden de cientos de MPa, que sólo se encuentran en el planeta de forma natural únicamente en los puntos más profundos del océano.
Si la fuerza de cierre es insuficiente el molde tenderá a abrirse y
el material escapará por la unión del molde. Es común utilizar el área
proyectada de una pieza (área que representa perpendicularmente a la
unidad de cierre el total de la cavidad) para determinar la fuerza de
cierre requerida, excluyendo posibles huecos o agujeros de la pieza.
Molde
El molde (también llamado herramienta) es el espacio donde se genera
la pieza; para producir un producto diferente, simplemente se cambia el
molde, al ser una pieza intercambiable que se atornilla en la unidad de
cierre. Existen varios tipos de molde, para inyectar plásticos, metal,
etc.
Las partes del molde son:
- Cavidad: es el volumen en el cual la pieza será moldeada.
- Canales o ductos: son conductos a través de los cuales el
polímero fundido fluye debido a la presión de inyección. El canal de
alimentación se llena a través de la boquilla, los siguientes canales son los denominados bebederos y finalmente se encuentra la compuerta.
- Canales de enfriamiento: Son canales por los cuales circula
refrigerante (el más común agua) para regular la temperatura del molde.
Su diseño es complejo y específico para cada pieza y molde, esto en
vista de que la refrigeración debe ser lo más homogénea posible en toda
la cavidad y en la parte fija como en la parte móvil, esto con el fin de
evitar los efectos de contracción diferencial. Cabe destacar que al
momento de realizar el diseño de un molde, el sistema de refrigeración
es lo último que se debe diseñar.
- Barras expulsoras: al abrir el molde, estas barras expulsan
la pieza moldeada fuera de la cavidad, pudiendo a veces contar con la
ayuda de un robot para realizar esta operación.
Control de parámetros
Los parámetros más importantes para un proceso de inyección son los siguientes.
Ciclo de moldeo
En el ciclo de moldeo se distinguen 6 pasos principales (aunque algunos autores llegan a distinguir hasta 9 pasos):
- 1. Molde cerrado y vacío. La unidad de inyección carga material y se llena de polímero fundido.
- 2. Se inyecta el polímero abriéndose la válvula y, con el
husillo que actúa como un pistón, se hace pasar el material a través de
la boquilla hacia las cavidades del molde.
- 3. La presión se mantiene constante para lograr que la pieza
tenga las dimensiones adecuadas, pues al enfriarse tiende a contraerse.
- 4. La presión se elimina. La válvula se cierra y el husillo gira para cargar material; al girar también retrocede.
- 5. La pieza en el molde termina de enfriarse (este tiempo es
el más caro pues es largo e interrumpe el proceso continuo), la prensa
libera la presión y el molde se abre; las barras expulsan la parte
moldeada fuera de la cavidad.
- 6. La unidad de cierre vuelve a cerrar el molde y el ciclo puede reiniciarse.
Colada fría y caliente
Existen dos tipos de colada. La colada fría es el remanente de polímero solidificado que queda en los canales, y que es necesario cortar de la pieza final. La colada caliente
mantiene al polímero en estado fundido para continuar con la inyección.
Con esta técnica se ahorra una considerable cantidad de plástico.
Coloración de la pieza
La coloración de las piezas a moldear es un paso crítico, puesto que
la belleza de la pieza, la identificación y las funciones ópticas
dependen de este proceso. Básicamente existen tres formas de colorear
una pieza en los procesos de inyección:
- 1. Utilizar plástico del color que se necesita (precoloreados).
- 2. Utilizar un plástico de color natural y mezclarlo con pigmento en polvo o colorante líquido.
- 3. Utilizar un plástico de color natural y mezclarlo con concentrado de color.
La elección cómoda y limpia es el uso del concentrado de color, el cual se diseña con características de índice de fluidez y viscosidad
acordes al polímero que se desea procesar. Con los concentrados de
color se puede cambiar de un color a otro de manera rápida, sencilla y
limpia.
Temperatura de proceso
Para inyectar un polímero, específicamente un termoplástico, es necesario conocer su temperatura de transición vítrea (Tg) y su temperatura de fusión de la región cristalina (Tm), si es un polímero semicristalino.
La temperatura de operación de cada termoplástico no es estándar, y
varía según el proveedor (de acuerdo con el peso molecular, ramificación
del polímero, polidispersidad y aditivos). Es por tanto necesario
solicitarle una Hoja de Especificaciones donde se encuentre tanto el índice de fluidez como la temperatura de trabajo.
Dimensiones de la máquina
La efectividad de una máquina de inyección se basa en la cantidad de
presión que esta pueda generar, por dos razones principales:
- 1. Incrementando la presión se puede inyectar más material
- 2. Incrementando la presión se puede disminuir la temperatura, que se traduce en menor costo de operación.
Las máquinas se venden dependiendo de su fuerza de cierre expresada
en toneladas, y van desde 10 Ton las más pequeñas, hasta 3.000 Ton las
de mayor capacidad.
Es aconsejable utilizar el cañón más largo posible si se necesita
mezclar compuestos, y también hacer énfasis en el husillo adecuado.
