6.5. Moldeo por inyección

6.5.
Moldeo por inyección
6.5.0. Introducción
•
Es la técnica de moldeo más utilizada con materiales poliméricos.
•
Técnica discontinua: llenado a presión del molde + enfriamiento +
desmoldeado.
•
Aplicación:
o
Termoplásticos cristalinos (Tdesmoldeado<Tfc) y amorfos (Tdesmoldeado<Tg).
o
Duroplásticos (tiempo en molde suficiente para reticulación).
o
Elastómeros (tiempo en molde suficiente para reticulación).
6.5.1. Moldeo de termoplásticos
1. Unidad de inyección:
o
Plastifica el material mediante husillo (similar a extrusoras monohusillo).
o
Tipos:
a) Husillo alternativo (reciprocating screw injection unit, RSIU):
i.
Plastificación y acumulación de material plastificado
mediante giro y retroceso del husillo:
ii.
Inyección a gran velocidad (tiro o disparo, shot). La
válvula antirretorno impide el retroceso del material.
Regulación del movimiento por velocidad de inyección y
presión máxima admisible en el molde (hasta 200MPa).
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iii.
Se mantiene la presión en el molde, inyectando más
material durante inicio de cristalización y contracción.
iv.
Separación del molde, y comienzo de nuevo ciclo de
plastificación mientras la pieza termina el enfriamiento en
el molde.
b) Unidades de dos etapas:
¾ Ventajas: mayor capacidad de producción, mayores
presiones alcanzadas, más preciso control del volumen
inyectado Î Preferidas para piezas complicadas de
paredes finas.
¾ Desventajas: mayor coste, menor homogeneidad del
material, mayor riesgo de degradación.
o
Características más importantes: volumen máximo de tiro (shot size) y
máxima presión.
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2. Unidad de cierre:
o
Es una prensa que debe soportar la presión de compactación del
material en el molde.
o
Tipos:
a) Hidráulicas:
b) Mecánicas e hidromecánicas. Las mecánicas puras apenas
utilizadas.
o
Características más importantes: dimensiones máximas de los moldes y
fuerza de cierre (hasta 1000 ton en hidráulicas y superior en
hidromecánicas).
3. Molde:
o
Dividido en 2 semimoldes ó más partes. Pueden incluir cavidades para
moldear varias piezas en un mismo tiro.
o
Molde con dos partes:
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o
Molde con tres partes (o más): facilita el desprendimiento del material
solidificado en los canales (runners) y de la mazarota:
o
Componentes de los moldes:
ƒ
Mazarota y canales. En los moldes convencionales el material
solidificado aquí se recicla.
ƒ
Estrangulaciones o entradas (gates) de las cavidades. Efectos
que producen:
•
Incremento de la velocidad de deformación en ese punto
(incluso superior a 104 s-1).
•
Hinchamiento de la vena líquida: mojado de las paredes
y formación en la cavidad de capas que se van
consolidando por cuyo interior circula el material, más
caliente.
•
Efecto
de
tapón
anti-retroceso:
adelantan
la
consolidación del material en ese punto por enfriamiento
más rápido al ser la sección pequeña. Permite separar la
pìquera de la boquilla de inyección antes de consolidado
todo el material de la cavidad.
•
Facilitan el desprendimiento del material solidificado en
los canales.
Tipos:
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•
NO DEBEN producir chorros que produzcan salpicaduras
(que después no sueldan con la masa), para ello:
•
Bien la sección de la estrangulación no debe ser
demasiado pequeña (si se quiere reducir el
caudal, debe aumentarse la longitud de la
estricción).
•
Bien se hace que el flujo entre directamente en
contacto con la pared, p.ej. entrada tangencial.
ƒ
Cavidades: donde se forman las piezas. Las superficies pueden
tener diferentes acabados, pudiendo obtenerse superficies
brillantes o mate. Las dimensiones son superiores a las
definitivas de la pieza, por la contracción.
ƒ
Agujas eyectoras.
ƒ
Taladros de venteo (~ Φ 25 µm) o rendijas (~ 12-18 µm) que
dejan salir el aire de la cavidad. Pueden substituirse por la
holgura en los taladros de las agujas eyectoras.
4. Ciclo de producción:
Unidad de inyección
Unidad de cierre
Molde
Cierre del molde.
Desplazamiento
pistón
Mantenimiento de Ajuste de la piquera a la
la
fuerza
de boquilla.
cierre
del
Inyección
Mantenimiento de la
presión
Consolidación bajo presión
Se cierra la válvula
Enfriamiento en el molde
Giro y retroceso del
husillo
para
Separación de la
plastificación
y
boquilla.
acumulación
del
material.
Apertura
molde
del Expulsión de la pieza
moldeada, de mazarota y
material de conductos.
Calentamiento del molde si
necesario
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6.5.2. Retracción, tensiones residuales y anisotropía
•
Ecuación de estado del material o curvas pvT:
•
Modelo del proceso empleando las curvas del material:
•
Contracción final:
ΔV m(v D − v E )
v
= 1− E
=
V
mv D
vD
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o
Si no se hubiera mantenido el molde presurizado, la contracción final
habría sido mayor:
v
⎛ ΔV ⎞
= 1− E
⎟
⎜
vA
⎝ V ⎠SIN presurizar
o
Aconsejado: Ejercicio 6.8.
•
Tensiones residuales: por deformaciones impedidas y por diferencias de
temperatura entre zonas al empezar la compactación.
•
Anisotropía según las líneas de flujo del fundido:
o
a nivel molecular
o
de refuerzos o cargas:
Secciones de PP+GF inyectado
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6.5.3. Presión de inyección y fuerza de cierre
•
Presión de cierre: el valor máximo es el mantenido durante la compactación
(packing time).
F=p·A
•
Sistema de control:
o
Mismas condiciones en cada inyección.
o
Sondas de:
o
ƒ
presión y temperaturas en cilindro, conductos y molde.
ƒ
Posición del pistón (ó del husillo).
Control de:
a) Velocidad de llenado: la velocidad influye en la anisotropía,
contracción, y acabado.
b) Presión de compactación. Necesidad de presión alta (~ 10100MPa), en general.
™ Inyección a baja presión: en el caso de espumas, en
moldeo asistido por gases, en moldeo de piezas de
encapsulado de componentes electrónicos, procesos
optimizados con espesores gruesos…
c) Temperatura en la cámara antes de la inyección.
d) Temperatura del molde:
•
Si demasiado baja:
•
Inhomegeneidades de cristalinidad: tensiones
residuales por diferencias de contracción.
•
Baja cristalinidad: problema de post-cristalización.
•
Deficientes soldaduras de las corrientes
fundido (se realizarían con alta viscosidad…).
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•
•
•
•
Problema de envejecimiento físico.
Si demasiado alta:
•
Pieza demasiado deformable en el momento de la
eyección.
•
Menor velocidad de enfriamiento (bajo ritmo de
producción).
•
Peligro de descomposición (calentamiento del
polímero en conductos…).
Ventana térmica para cada material: intervalo de
condiciones admisibles para cada material. Ejemplos: de
~50ºC en PP y 5ºC en PET.
Ciclo de llenado: se ha encontrado conveniente realizar:
1) Etapa de control de velocidad de llenado con secuencia de varias
velocidades.
2) Cambio a control en presión (dos posibilidades: controlar la
presión en el cilindro o en la cavidad del molde).
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6.5.4. Sistemas de canales calientes
•
En moldes convencionales: reciclado del material de mazarota y solidificado en
canales.
•
Sistemas de canales calientes o de torpedos atemperados:
o
El material sigue solidificando en las puertas en cada ciclo, pero no en
los canales.
o
Ventajas:
o
ƒ
Reducción del material a reciclar.
ƒ
Reducción del consumo de energía para plastificar ese material.
ƒ
Incremento de la productividad por eliminación del tiempo de
espera de solidificación de los canales (cuando éste es más largo
que el de la pieza).
ƒ
Mejor calidad en materiales muy sensibles a la temperatura de
procesado.
Este sistema es de uso generalizado.
6.5.5. Aplicaciones del moldeo por inyección
•
Es la técnica más empleada.
•
Para termoplásticos reforzados con fibras las presiones son muy superiores a
termoplásticos no reforzados (mucho mayor viscosidad) y se produce mayor
desgaste de la máquina. Generalmente se emplean fibras cortas (0.2-0.4mm),
pero pueden emplearse fibras largas con modificaciones en la máquina
(~10mm, el tamaño de la granza producida por pultrusión) [BMC, bulk molding
compounds].
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Engranajes de PA+GF.
6.5.5.1 Moldeo de espumas estructurales termoplásticas
•
Mezcla de polímero + espumante antes de la inyección.
•
No se rellena el molde completamente durante la inyección.
•
Bajas presiones (las producidas por el gas generado).
•
La densidad se controla con la dosificación del agente espumante.
•
Pueden moldearse elementos con distribución de densidad no uniforme.
Panel de puerta, consola y soporte para bomba de EPP.
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6.5.5.2 Moldeo por inyección asistido por gases
•
Inyección de la masa de polímero sin llenar completamente el molde +
inyección de gas.
•
El gas desplaza el material más caliente (menos viscoso).
•
Parámetros:
o
Tiempo transcurrido entre inyección del plástico y del gas.
o
Caudal de gas.
o
Presión máxima.
•
Calidad superficial buena (posibles inrregularidades internas).
•
Ejemplos: asideros sobre cabeza en vehículos.
6.5.5.3. Inyección de multicomponentes (biinyección)
•
Proceso: inyección de una primera pieza en un molde + se incluye esta primera
pieza dentro de un nuevo molde y se inyectan nuevas partes (la primera pieza
puede contener cavidades, puede ser un injerto…). Para cada parte añadida se
emplea un bebedero.
•
Ejemplos de aplicación:
o
Elemento con diferentes materiales.
o
Elemento con diferentes colores. Por ejemplo, pilotos traseros de
vehículos sobre preforma incolora.
o
Con materiales incompatibles, elementos que pueden deslizar. Ejemplo:
rótulas esféricas (preforma) y alojamientos (postinyección).
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Moldeo de piezas de plástico sobre carcasa metálica
6.5.6. Moldeo por inyección de polímeros duroplásticos
•
Diferencias:
o
El husillo tiene la función añadida de mezclar los componentes (polvo,
granza o masa plástica previamente preparada en malaxadora).
o
Dentro del cilindro se evita el calentamiento del fundido para que no se
inicie la reticulación.
o
El molde se mantiene caliente (~ 100ºC por encima de la cabeza
inyectora), para completar reticulación.
o
Expulsión de las piezas calientes.
Elementos de material elastomérico.
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