Compendio Investigativo de Academia Journals Celaya 2015 Copyright Academia Journals 2015 Celaya, Guanajuato, México Noviembre 4, 5, y 6, 2015 Análisis Termomecánico de un Molde Prototipo para Inyección de Plástico M.I. Carlos Alberto Ruiz Colunga 1, M.I. Raúl Alvarado Almanza2, M.C. Roberto Martín del Campo Vázquez3, Ing. Miguel Ángel Rojas Rojas 4 y Dr. José Martín Medina Flores5 Resumen— El presente trabajo, trata sobre el análisis termomecánico de un molde prototipo para inyección de plástico, con el que se obtendrá un vaso gelatinero. Mediante los fundamentos para la inyección de plástico, se establece una metodología para el diseño y análisis del enfriamiento de la pieza inyectada en el molde. Con el soporte de la simulación computacional, se logra predecir el proceso y duración de la inyección, el punto idóneo para efectuarla y el tiempo de enfriamiento para la pieza inyectada. Mediante la solución de la ecuación diferencial parcial gobernante se comprobó la similitud de resultados obtenidos en la simulación, llegando a un tiempo de enfriamiento equiparable al calculado de manera computacional. Palabras clave—Molde, inyección, desmoldeo, enfriamiento, difusividad. Introducción Los plásticos son los polímeros más importantes en el mercado, más que los hules, las fibras y las pinturas; debido al tonelaje de producción y los productos que generan. Tienen una amplia gama de propiedades tales como facilidad de moldeo, baja densidad, resistencia a la corrosión, aislantes eléctricos y térmicos, entre otras; y son muchos los materiales y los métodos de fabricación mediante los cuales se pueden obtener las características antes mencionadas. De las 72 ramas de las actividades económicas del país, la industria del plástico provee de insumos a 59. Además, las tendencias ecológicas y la filosofía del desarrollo sustentable también marcan la pauta en el desarrollo de estos materiales; los plásticos biodegradables comienzan a invadir mercados de plásticos tradicionales y se estudian nuevas fuentes de obtención no petroleras para los mismos. De acuerdo a estimaciones del Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo, la industria transformadora del plástico se desarrollará de amplia manera en comparación a las industrias acereras, la manufacturera o las tecnologías de la información. Con el transcurso de los años, México ha dejado de ser de los principales países productores y consumidores de plástico debido a la falta de investigación y desarrollo tecnológico. A diferencia de México, países como Alemania, Estados Unidos o China cuentan con Universidades o Institutos formadores de científicos y técnicos especialistas en la materia. En nuestro país existen pocos pero en su mayoría de conocimiento meramente empírico. Prueba de ellos es que México es uno de los países con mayor nivel de importación de moldes. No obstante que la industria del molde es una industria intensamente globalizada y con pocas barreras de entrada en términos tecnológicos y de inversión, no se ha desarrollado en México como podría esperarse de acuerdo al tamaño de su economía, su grado de industrialización y los recursos humanos con los que cuenta. ProMéxico, organismo de la secretaría de economía señala el proceso de inyección de plástico y la fabricación de moldes como procesos faltantes, escasos o de bajo desarrollo. A la fecha México muestra niveles de importación de moldes mucho más altos que otros países. Es por ello que la Universidad Politécnica de Guanajuato incursiona en el desarrollo tecnológico en el proceso de inyección de plásticos mediante el diseño y fabricación de moldes para dichas máquinas e incluso incursionar en el análisis térmicos para la implementación de sistemas de moderación de temperatura eficientes basándose en los principios de transferencia de energía. Por tal motivo este trabajo pretende ser un fundamento básico a seguir para la inducción en los conocimientos de este sector productivo en crecimiento y aportar un primer diseño de un molde usando los fundamentos básicos para el desarrollo de los mismos. El M.I. Carlos Alberto Ruiz Colunga es Profesor de Tiempo Completo en la Universidad Politécnica de Guanajuato, Cortazar, Guanajuato, México. caruiz@upgto.edu.mx 2 El M.I. Raúl Alvarado Almanza es Profesor de Tiempo Completo en la Universidad Politécnica de Guanajuato, Cortazar, Guanajuato, México. ralvarado@upgto.edu.mx 3 El M.C. Roberto Martín del Campo Vázquez es Profesor de Tiempo Completo en la Universidad Politécnica de Guanajuato, Cortazar, Guanajuato, México. rdelcampo@upgto.edu.mx 4 El Ing. Miguel Ángel Rojas Rojas es egresado de la Ingeniería en Tecnologías de Manufactura de la Universidad Politécnica de Guanajuato, Cortazar, Guanajuato, México. 11020004@upgto.edu.mx 5 El Dr. José Martín Medina Flores es Profesor Investigadora del Instituto Tecnológico de Celaya, Celaya, Guanajuato, México. 1 Elibro en CDROM con ISBN 978-1-939982-18-6 5268 Compendio Investigativo de Academia Journals Celaya 2015 Copyright Academia Journals 2015 Celaya, Guanajuato, México Noviembre 4, 5, y 6, 2015 Metodología de trabajo. Realizar el maquinado de un molde para máquina de inyección de plásticos es un proceso costoso y delicado debido al material requerido para el correcto funcionamiento de este. Tomando como base lo anterior se procederá a hacer un molde prototipo para la obtención de un vaso gelatinero para una máquina de inyección de plástico. Dicho molde podrá utilizarse para la realización de pruebas de laboratorio. Para la realización del prototipo, primeramente se realizó el modelado en 3D de la pieza que se obtendrá para que posteriormente se obtengan el núcleo y la cavidad con ayuda del software de simulación. En la Figura 1 se puede apreciar el vaso cuya altura es de 50 mm, una base de diámetro de 77 mm y espesor de pared de 1 mm, y el arreglo del núcleo y cavidad. Figura 1. Vaso y arreglo de núcleo y cavidad. Para el adecuado diseño del molde se tuvo cuidado en parámetros esenciales dentro de la inyección de plástico, tales como el ángulo de salida, escala (referente a la contracción del material inyectado), la superficie de partición, línea de partición y núcleo-cavidad. Molde prototipo. En base al molde generado anteriormente, se procedió a realizar el ensamble del molde prototipo. En la Tabla 1 se muestran los componentes de dicho ensamble mientras que en la Figura 2 se observa la vista explosionada del molde prototipo. Componente Descripción 1 Placas de sujeción 2 Placa de respaldo 3 Sistema de acondicionamiento de temperatura 4 Núcleo 5 Cavidad Tabla 1. Componentes de ensamble de molde prototipo. Figura 2. Vista explosionada de molde prototipo. Elibro en CDROM con ISBN 978-1-939982-18-6 5269 Compendio Investigativo de Academia Journals Celaya 2015 Copyright Academia Journals 2015 Celaya, Guanajuato, México Noviembre 4, 5, y 6, 2015 Análisis térmico. Los ciclos de moldeo de inyección de plástico poseen un parámetro de suma importancia: el tiempo de enfriamiento de la pieza inyectada. El correcto diseño de este tiempo de enfriamiento ayudará a tener piezas con las propiedades necesarias en ciclos de inyección más cortos. El tiempo de enfriamiento depende de la temperatura a la que el polímero se inyecta, de la temperatura del molde, la temperatura promedio de la pieza, la difusividad térmica del material inyectado y del espesor de la pieza a obtener. Considerando que el material inyectado posee una conductividad térmica constante y unidimensional, la distribución de temperaturas transitorias está dada por la ecuación diferencial de Fourier, la cual al realizar un balance de energía en una capa plana infinitamente pequeña se tiene que: 𝜕𝑇 𝜕2𝑇 = 𝛼 2 ⋯ ⋯ (1) 𝜕𝑡 𝜕𝑥 de donde: 𝛼 es la difusividad térmica del polímero 𝑥 es la posición desde la pared del molde a un punto cualquiera dentro del espesor de la pieza a obtener. Basándose en la condición de que al inicio de la inyección se tiene una temperatura de inyección, y con condiciones de frontera en función de la temperatura de la pared del molde constante y una temperatura máxima a la mitad del espesor de la pieza, se puede obtener el tiempo de enfriamiento y la distribución de temperaturas: 𝑠2 8 (𝑇𝑖𝑛𝑦 − 𝑇𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒 ) 𝑡𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 2 𝐿𝑛 ( 2 ) ⋯ ⋯ (2) 𝜋 𝛼 𝜋 𝑇𝑑𝑒𝑠𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒𝑜 − 𝑇𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒 4(𝑇𝑖𝑛𝑦 − 𝑇𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒 ) 𝜋𝑥 −𝛼𝜋22 𝑡 𝑇(𝑥, 𝑡) = 𝑇𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒 + sin ( ) 𝑒 𝑠 ⋯ ⋯ (3) 𝜋 𝑠 de donde: 𝑇𝑖𝑛𝑦 es la temperatura a la cual el polímero se inyecta 𝑇𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒 es la temperatura de la pared del molde 𝑇𝑑𝑒𝑠𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒𝑜 es la temperatura promedio de la pieza 𝑠 es el espesor de la pieza inyectada 𝑡 es el tiempo En la Tabla 2 se muestran los parámetros utilizados en la pieza que se inyectará en el molde prototipo, con ellos y con la ecuación (2) es posible obtener el tiempo de enfriamiento, el cual arroja un resultado de 2.12 segundos. Con este resultado y mediante la ecuación (3) es posible obtener el perfil de temperaturas de la pieza inyectada, el cual se muestra en la Figura 3. En ella se puede apreciar que en los extremos la pieza inyectada tendrá la temperatura a la cual se encuentre el molde, y en el centro su temperatura es máxima. Parámetro Valor Temperatura de 230 °C inyección Temperatura de 50 °C molde Espesor de pieza. 1 mm Tiempo de 2.12 s enfriamiento Difusividad 5.3 x 10-4 térmica cm2/s Tabla 2. Parámetros de la pieza inyectada Figura 3. Perfil de temperaturas de la pieza inyectada. Elibro en CDROM con ISBN 978-1-939982-18-6 5270 Compendio Investigativo de Academia Journals Celaya 2015 Copyright Academia Journals 2015 Celaya, Guanajuato, México Noviembre 4, 5, y 6, 2015 Simulación de la inyección en el molde prototipo. Hacer un molde prototipo y llevarlo a molde definitivo requiere de un buen análisis para verificar las condiciones ideales para trabajar. Como se ha mencionado anteriormente, un punto importante de análisis es el tiempo de enfriamiento pero también se deben tomar en cuenta otros factores que afectan la calidad del producto durante el moldeo, como son la contracción, el llenado de todas las cavidades al mismo tiempo, las temperaturas del polímero y puntos de aire atrapado. Mediante la utilización de herramientas CAD es posible simular la inyección de plástico en el molde prototipo, esto con la finalidad de que desde la fase de diseño se construya un molde que cumpla con todos los requisitos y evitar la mayor cantidad de fallas de diseño. Uno de los principales defectos al momento de diseñar moldes es que estos no se llenan completamente debido a un mal cálculo en la capacidad de la máquina de inyección, seguido de causas que suelen ser más difíciles de deducir: la ubicación de ventilaciones que provean de puntos de escape para evitar el aire atrapado. Analizando un poco más la estructura del molde prototipo, mostrado en la Figura 4 se puede observar el punto de inyección. Los últimos puntos que alcanzará el plástico al llenar el molde es el borde del vaso, por lo tanto podemos suponer que en estos puntos existirá aire atrapado al final del llenado, lo cual pudiera causar que el llenado no se lleve a cabo por completo. Figura 4. Vista de sección del molde prototipo. Para reforzar esta suposición, se utilizarán herramientas de simulación para llevar a cabo el llenado de la cavidad y observar si es necesario la especificación de algún maquinado especial en el molde definitivo. El software permite realizar configuraciones específicas para las necesidades requeridas de inyección, ya sea para molde con una sola cavidad o para moldes con varias cavidades. Posee también una base de datos con las propiedades del polímero a inyectar. Para efectos de análisis se utilizará el polipropileno, cuya difusividad térmica ya se ha especificado anteriormente. De igual manera, se configuran las características de inyección mencionadas en la Tabla 2. Uno de los pasos a tener en cuenta en la simulación, es el posicionamiento del canal de alimentación, el cual es primordial para un llenado óptimo de la cavidad. En la Figura 5 se muestra el arreglo utilizado para la simulación. Figura 5. Arreglo del canal de alimentación. Resultados obtenidos. Una vez finalizado el análisis la herramienta de simulación presenta los resultados obtenidos, entre los cuales solo se muestran el tiempo de llenado, la temperatura en el interior del vaso antes de iniciar el enfriamiento, tiempo de enfriamiento y la temperatura de la pieza después del proceso de enfriamiento. Elibro en CDROM con ISBN 978-1-939982-18-6 5271 Compendio Investigativo de Academia Journals Celaya 2015 Copyright Academia Journals 2015 Celaya, Guanajuato, México Noviembre 4, 5, y 6, 2015 Tiempo de llenado. Para la configuración seleccionada se obtuvo un tiempo de llenado de 0.82 segundos, mostrados en la Figura 6. Es un resultado aceptable debido a que al ser una inyección rápida garantiza que la colada tendrá intervalos cortos entre disparo y disparo, para así mantener siempre una temperatura elevada en su interior. Figura 6. Tiempo de llenado de la cavidad. Temperatura en el interior de la cavidad. En la escala colorimétrica se puede observar que dentro de la cavidad la temperatura permanece cerca de los 200 grados al final del llenado. En la Figura 7 se puede apreciar que la pieza inyectada alcanza una temperatura mínima de 189 grados en ciertos puntos, lo cual nos indica que no hay solidificación durante el proceso de inyección. Figura 7. Temperatura en el interior de la cavidad. Tiempo de enfriado. En la Figura 8 se puede observar que el tiempo en que los extremos de la pieza alcanzan la temperatura de la superficie del molde es cercana a los dos segundos, lo cual se aproxima de buena manera con los 2.12 segundos obtenido de manera analítica mediante la ecuación (2). Figura 8. Tiempo de enfriamiento. Temperatura después del enfriamiento. En la Figura 9 se observa que el programa ha calculado que en la superficie de la pieza inyectada se ha alcanzado una temperatura de 50°C, lo cual lo hace ideal para su expulsión. Estos resultados coinciden con el perfil de temperatura obtenido con la ecuación (3), previamente mostrado en la Figura 3. Elibro en CDROM con ISBN 978-1-939982-18-6 5272 Compendio Investigativo de Academia Journals Celaya 2015 Copyright Academia Journals 2015 Celaya, Guanajuato, México Noviembre 4, 5, y 6, 2015 Figura 9. Temperatura después del enfriamiento. Conclusiones y recomendaciones. Con base a los resultados obtenidos, se ha logrado brindar los fundamentos básicos para dar inicio con el proyecto de un diseño de molde para una máquina de inyección de plástico. En el presente trabajo, se ha recopilado la información necesaria para hacer un buen procedimiento de diseño de moldes, aportando el conocimiento de la industria de los plásticos, las consideraciones para diseño de moldes. Al concluir este trabajo, se puede observar de la necesidad del desarrollo de análisis que fortalezcan y fundamenten lo aquí mencionado, como por ejemplo, realizar la simulación del flujo del agente moderador de temperatura por los canales de enfriamiento, modificar la forma de maquinado de los mismos y experimentar con las distancias entre uno y otro canal y la pared del molde y hacer la comparativa de los resultados de la simulación con análisis térmicos para calcular la cantidad de calor a disipar en el molde. Referencias bibliográficas. 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