LAS SIMULACIONES PRECISAS DE LLENADO DE MOLDES

RESUELVEN LOS PROBLEMAS DE DISEÑO Y PRODUCCIÓN DEL MOLDEADO POR INYECCIÓN

Informe Técnico

RESUMENLos fabricantes de productos de piezas moldeadas por inyección pueden resolver los problemas relacionados con el diseño y las herramientas realizando simulaciones precisas de llenado de moldes mediante el software SOLIDWORKS® Plastics. En lugar de basarse en las laboriosas y costosas iteraciones de prototipos y herramientas para mejorar la fabricación, los profesionales del moldeado por inyección pueden utilizar esta solución para reducir el tiempo y los costes del proceso y, al mismo tiempo, mejorar la calidad. Para demostrar la precisión de las simulaciones de SOLIDWORKS Plastics y validar la viabilidad de la aplicación para acelerar el diseño y la producción de piezas moldeadas por inyección, Dassault Systèmes inició un proyecto con la Universidad de Massachusetts Lowell, uno de los principales centros de investigación de ingeniería de plásticos del mundo, para comparar las predicciones de la simulación del llenado de moldes con los resultados de pruebas físicas reales. Este documento examina los resultados del proyecto, que validan cómo las simulaciones precisas del llenado de moldes de SOLIDWORKS Plastics pueden simplificar el desarrollo de herramientas y piezas moldeadas por inyección.

Las simulaciones precisas de llenado de moldes resuelven los problemas de diseño y producción del moldeado por inyección 1

ASEGURAR UN MOLDEADO POR INYECCIÓN OPORTUNO Y RENTABLE CON SIMULACIONES PRECISAS DE LLENADO DE MOLDESPiezas más ligeras. Menos rechazos. Materiales más asequibles. Mayor flexibilidad de diseño. Estas son algunas de las razones por las que los fabricantes recurren cada vez más a los mate-riales plásticos para desarrollar nuevos productos y por las que el uso de procesos de fabricación de moldeado por inyección se ha ampliado cada año durante la segunda mitad del siglo pasado. La fabricación de plástico mediante el moldeado por inyección ha crecido, desde aplicaciones especializadas para producir productos sencillos como botones y peines, hasta un sofisticado proceso estratégico para realizar diversos componentes y productos cada vez más complejos en sectores que abarcan desde el ámbito automovilístico, médico y aeroespacial, hasta productos de consumo, juguetes y embalajes.

A medida que son cada vez más los principales fabricantes de hoy en día los que emplean materiales plásticos para producir mejores alternativas a las piezas de chapa metálica fabrica-das de forma convencional, la eficiencia y la calidad de los procesos de moldeado por inyección resultan cada vez más importantes, ya que más del 80 % de las piezas de plástico tienen que ser moldeadas por inyección. Cuantos más fabricantes aprovechen la tecnología de moldeado por inyección, las empresas que producen de forma constante piezas moldeadas por inyección de alta calidad más rápidamente y a un coste inferior disfrutan de una clara ventaja competitiva.

Hasta hace poco, el desarrollo del diseño de piezas y herramientas para la fabricación mediante moldeado por inyección requería un tedioso proceso de creación de prototipos iterativo para elimi-nar posibles defectos de fabricación mediante un proceso de ensayo y error. Si bien este enfoque permite a los fabricantes resolver problemas relacionados con la viabilidad de la fabricación y las herramientas que pueden generar defectos como bolsas de aire, vacíos, líneas de separación mal colocadas, contracciones, alabeos, imperfecciones en la superficie, debilidades estructurales y deformación de piezas grandes, también aumenta el tiempo y el coste del proceso. Lo que es realmente necesario para agilizar el desarrollo de componentes y herramientas de moldeado por inyección es la capacidad de realizar el proceso de creación de prototipos de ensayo y error en un entorno virtual y preciso.

Ejemplos de defectos de diseño de piezas de plástico identificados en SOLIDWORKS Plastics. Comenzando en el sentido de las agujas del reloj: depresiones superficiales, tensiones cortantes, refrigeración irregular, depresiones superficiales, inyección corta y alabeo.

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La creación de herramientas que produzcan piezas moldeadas por inyección de calidad se ve afectada por varias variables. ¿Cuál es la temperatura óptima del plástico fundido que se inyecta en el molde, así como del propio molde? ¿Los canales de refrigeración son adecuados para soportar estas temperaturas y, si no, de qué forma deben configurarse? ¿Cuál es el mejor material termoplástico para utilizar en un diseño específico? ¿A qué presión y caudal de flujo debería inyectarse el material plástico en el molde para facilitar el llenado y empaquetado? ¿Cuánto tiempo debe dejarse la pieza en el molde para que se solidifique antes de la expulsión? ¿Las herramientas especializadas, como diseños de insertos, acciones colaterales, entradas de inyección adicionales, operaciones secundarias o canales de refrigeración innovadores, reducen los tiempos del ciclo o eliminan defectos?

Estas son las preguntas a las que los diseñadores de piezas de plástico, fabricantes de mol-des y profesionales de fabricación de moldeado de inyección necesitan responder con el fin de producir herramientas que minimicen los problemas de calidad, y las razones por las que son necesarias las iteraciones en relación con los moldes para la fabricación de prototipos. Si solo los profesionales del moldeado por inyección tuvieran una forma precisa para predecir la forma en la que muchas variables que influyen en la producción afectan a la inyección, la refrigeración y la expulsión de una pieza determinada, no tendrían que invertir tiempo y dinero asociado a la creación de prototipos iterativos. Esta es la razón por la que las simula-ciones precisas de llenado de moldes son tan beneficiosas: porque admiten el mismo proceso de ensayo y error para descubrir la combinación correcta de las variables necesarias para pro-ducir piezas moldeadas por inyección de calidad en programas informáticos, lo que resulta más rápido y menos costoso.

Con capacidades de simulación precisa de llenado de moldes, los diseñadores de productos pueden establecer un equilibrio entre la estética del diseño y la viabilidad de la fabricación, los fabricantes de moldes pueden optimizar las herramientas sin necesidad de crear moldes para prototipos y los profesionales de la fabricación pueden acortar los ciclos de ejecución para, de este modo, ahorrar tiempo, reducir costes y aumentar la calidad. El factor clave para evitar el proceso de creación de prototipos de moldes convencionales recae en la precisión de las simulaciones de llenado de moldes.

Estudios de precisión del llenado de moldes en diversas piezas de plásticoPara demostrar el alto grado de precisión de las simulaciones de llenado de moldes realizadas con el software SOLIDWORKS Plastics, Dassault Systèmes solicitó al prestigioso Departamento de ingeniería de plásticos de la Universidad de Massachusetts Lowell (UMass Lowell) llevar a cabo una serie de experimentos físicos en tres diseños de piezas y moldes específicos: una carcasa electrónica normal, un tapón para un producto médico y la carcasa de un detector de radón. Estos moldes fueron escogidos por su diversidad y características únicas, a fin de ampliar el alcance del estudio y la importación de sus resultados.

Los estudios precisos de simulación de llenado de moldes de SOLIDWORKS Plastics fueron realizados por el prestigioso Departamento de ingeniería de plásticos de la Universidad de Massachusetts Lowell en relación con los moldes usados para producir estas tres piezas: una carcasa electrónica normal, un tapón para un producto médico y una carcasa de un detector de radón. Imagen cortesía de Routsis Training, http://www.traininteractive.com

 

     

Aunque los sistemas de moldeado por inyección de plásticos varían, todos tienen en común un sistema de inyección/calefacción, fijación, moldeado y control.

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El proyecto implicaba la fabricación de piezas a partir de estos tres moldes, al mismo tiempo que se utilizaban instrumentos basados en láser, piezas de relojería de precisión y lecturas de la máquina para documentar las principales variables relacionadas con el llenado, empaquetado, refrigeración y alabeo, incluida la temperatura, el tiempo, las fuerzas de fijación, las presiones y los caudales. También se llevaron a cabo experimentos sobre cuestiones relacionadas con inyecciones cortas, desequilibrios y bloqueos de entradas, líneas de soldadura, debilidad estructural, evolución del llenado y expulsión del molde. El trabajo experimental fue realizado por el profesor Stephen Johnston, en UMass Lowell y con máquinas de moldeado por inyección de Arbug y Sumitomo.

Los resultados de estos experimentos físicos se compararon con los resultados pronosticados por las simulaciones de llenado de moldes de SOLIDWORKS Plastics, con parámetros establecidos para que coincidieran con la máquina de moldeado por inyección específica utilizada. Esta comparación mostró una estrecha correlación, de un ±10 %, entre la simulación y los resultados reales. Estos hallazgos validan la eficacia del uso del software de simulación de llenado de moldes SOLIDWORKS Plastics para simplificar y acelerar el desarrollo de herramientas y piezas moldeadas por inyección.

Carcasa electrónicaPara la carcasa electrónica, se fabricó un molde de doble entrada con un plástico de polipropi-leno. Además de documentar las variables clave durante la refrigeración, el llenado, el empa-quetado y el alabeo, el ensayo comparó la posición de las líneas de soldadura asociadas con el método de doble entrada y su impacto en la integridad estructural, así como una serie de inyecciones cortas para validar el llenado del molde.

El sistema de refrigeración hace que la temperatura de 240,6 ºC de entrada por los orificios descienda hasta los 32 ºC y 34 ºC en dos puntos diferentes en el interior de la cavidad del molde. La simulación realizada con el software SOLIDWORKS Plastics predijo temperaturas en estos dos puntos de 34 ºC y 32 ºC respectivamente.

A continuación, UMass Lowell llevó a cabo una serie de inyecciones cortas mediante la variación del volumen del material utilizado para confirmar cómo fluye el plástico en el molde. Como se muestra en la Figura 1, los resultados de la simulación en la que se utilizan estas inyecciones cortas son prácticamente idénticos a las piezas de inyecciones cortas reales.

Los moldes utilizados para producir la carcasa electrónica integran canales de refrigeración para controlar la uniformidad de la temperatura.

 

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Figura 1.

Las simulaciones realizadas con el software SOLIDWORKS Plastics predijeron la posición de una línea de soldadura en la pieza expulsada, lo que sugería una posible debilidad estructural. De hecho, la pieza real es propensa a romperse en la línea de soldadura (véase la Figura 2).

Figura 2.

Durante el empaquetado, se produjeron bloqueos de entrada, cuando el material se solidifica y evita el llenado continuo del molde, entre 1 y 2 segundos durante el experimento físico. La simulación de SOLIDWORKS Plastics mostró que el bloqueo de entrada se produciría 1,7 segundos después de finalizar el llenado (véase la Figura 3).

Figura 3.

Para investigar el alabeo, el estudio se centró en dos dimensiones separadas (véase la Figura 4) para comparar la contracción después de la expulsión del molde. De nuevo, la predicción de la simulación de llenado de moldes de SOLIDWORKS Plastics guarda una estrecha relación con los resultados reales.

 

 

 

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Figura 4.

Tapón médicoLas características únicas del molde del tapón médico incluyen el uso de un núcleo con inserción de cobre de berilio (Be-Cu), que ayuda a eliminar los problemas de expulsión del molde. Esta pieza tiene roscas con cortes sesgados y se debe extraer de la herramienta mientras la pieza todavía está blanda, por lo que la uniformidad de la temperatura es vital. Como se muestra en la Figura 5, las simulaciones de SOLIDWORKS Plastics muestran que el uso exclusivo de un molde de acero sin la inserción de cobre de berilio genera distribuciones de temperatura no uniformes que podrían llevar a la fractura de la rosca durante la expulsión de la pieza. La incorporación de la inserción de cobre de berilio es precisamente el tipo de modificación de herramientas que facilita el software SOLIDWORKS Plastics.

Figura 5.

Para el tapón médico, se fabricó un molde con entradas de pernos y la inserción de cobre de berilio con plástico de polipropileno (consulte la Figura 6). El estudio examinó las temperaturas durante la refrigeración, el tiempo de bloqueo de entrada durante el empaquetado, y una serie de inyecciones cortas para validar cómo se llenaba el molde.

 

 

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Figura 6.

Durante la refrigeración, el experimento físico encontró un rango de temperatura entre 28 ºC y 32 ºC en varios puntos alrededor de la inserción de cobre de berilio. Las simulaciones de SOLIDWORKS Plastics predijeron unas temperaturas que oscilaban entre los 28 ºC y 35 ºC en los mismos puntos de este diseño. La exactitud de estos resultados de simulación valida la necesidad de la inserción de cobre de berilio y la distribución uniforme de la temperatura necesaria para extraer la pieza de la herramienta mientras todavía está blanda.

Para examinar si el molde se llena de la forma prevista por las simulaciones de SOLIDWORKS Plastics, UMass Lowell realizó una serie de inyecciones cortas variando el volumen del material inyectado en el molde. Como se muestra en la Figura 7, la simulación de SOLIDWORKS Plastics resulta muy parecida a cómo se rellena efectivamente el molde.

Figura 7.

En este experimento también se tuvo en cuenta cuánto tiempo tarda, una vez finalizado el llenado, en producirse el bloqueo de la entrada o el empaquetado. Las pruebas físicas revelaron que la entrada tarda en bloquearse entre cinco y seis segundos. Las simulaciones de SOLIDWORKS Plastics predijeron que la entrada se bloquearía 6,5 segundos después de finalizar el llenado (véase la Figura 8).

Figura 8.

   

 

 

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Detector de radónLa herramienta para la carcasa del detector de radón es un molde compuesto desequilibrado que emplea una sofisticada disposición de canales de refrigeración (véase la Figura 9). Esta disposición de refrigeración es necesaria debido al rango de temperatura no uniforme del interior de la cavidad del molde relacionada con las diferentes geometrías de las dos piezas de esta familia. Comprender cómo las temperaturas varían dentro de un molde es importante para eliminar los puntos calientes en la pieza que pueden provocar defectos, retrasos en la expulsión de la pieza o tiempos de ciclo más lentos. La información detallada que las simulaciones de SOLIDWORKS Plastics pueden proporcionar a la hora de afrontar los retos del moldeado por inyección puede llevar al desarrollo de innovadores sistemas de refrigeración como este.

Figura 9.

Para el detector de radón, se fabricó un molde compuesto desequilibrado con un plástico de polipropileno. Además de documentar las variables clave durante la refrigeración, el llenado, el empaquetado y los alabeos, el experimento analizó cómo los desequilibrios de la entrada pueden generar marcas de vacilación, defectos que pueden surgir cuando una pieza de un molde compuesto se llena más rápido que los demás, así como una serie de inyecciones cortas para validar cómo se llena el molde.

El exclusivo sistema de refrigeración de este molde hace que los 207 ºC de temperatura de entrada por los orificios descienda hasta los 25,2 ºC y 30,6 ºC, en diferentes puntos dentro de la cavidad del molde. La simulación realizada con el software SOLIDWORKS Plastics pronosticó un rango de temperatura de entre 26,4 ºC y 30,4 ºC en las mismas ubicaciones.

En cuanto a las otras dos piezas utilizadas para este estudio, UMass Lowell llevó a cabo una serie de inyecciones cortas mediante la variación del volumen de material utilizado para determinar cómo los patrones de flujo que las simulaciones de SOLIDWORKS Plastics predijeron coinciden con la forma en la que el material realmente fluye dentro del molde. Tal como se muestra en la Figura 10, estos resultados de simulación se alinean bien con los resultados de las pruebas físicas.

 

 

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Figura 10.

 

 

 

 

 

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Las simulaciones de SOLIDWORKS Plastics predijeron la aparición de un defecto de marca de vaci-lación en la más pequeña de las dos piezas que componen la carcasa del detector de radón (véase la Figura 11) y revelaron la razón del defecto. Como la cavidad más grande se rellena en primer lugar, el frontal del flujo vacila mientras se llena la cavidad más pequeña. Cuando el llenado se completa, una diferencia de temperatura relacionada con este llenado irregular provoca el defecto (véase la Figura 12).

Figura 12.

Otros hallazgos de este estudio incluyen comparaciones de la presión de entrada, el tiempo de bloqueo de la entrada y la contracción/alabeo de la pieza. Las pruebas experimentales mostraron la presión máxima de entrada a 50,9 MPa, mientras que las simulaciones de SOLIDWORKS Plastics la predijeron a 48,3 MPa; el bloqueo de la entrada de cuatro a seis segundos, mientras que las simulaciones de SOLIDWORKS Plastics predijeron seis segundos; y la contracción/alabeo de la pieza de 1 mm, mientras que las simulaciones de SOLIDWORKS Plastics la predijeron en 0,9345 mm.

 

   

Figura 11.

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LAS SIMULACIONES PRECISAS DE LLENADO DE MOLDES DE SOLIDWORKS PLASTICS BENEFICIAN A LOS DISEÑADORES DE PRODUCTOS, FABRICANTES DE MOLDES Y FABRICANTESOfreciendo a los diseñadores de productos, fabricantes de moldes y profesionales de la fabricación la capacidad para simular con precisión las operaciones de llenado de moldes, el software de simulación de llenado de moldes SOLIDWORKS Plastics puede proporcionar de forma más rápida y rentable los conocimientos necesarios para optimizar los diseños y las herramientas. Esta solución puede sustituir o condensar en gran medida los requisitos de creación de prototipos de moldes, especialmente si todo aquel relacionado con el desarrollo y la producción de herramientas y piezas moldeadas por inyección tiene acceso al entorno de simulación de SOLIDWORKS Plastics. Tanto si se trata de un diseñador de productos preocupado por la viabilidad de la fabricación, de un fabricante de moldes centrado en el diseño de herramientas o de un profesional de la fabricación interesado en reducir los tiempos de ciclo, la familia de productos SOLIDWORKS Plastics tiene soluciones que pueden ayudarle a trabajar de forma más inteligente, rápida y mejor.

SOLIDWORKS Plastics para evaluar la viabilidad de la fabricaciónLa evaluación de la viabilidad de la fabricación de una pieza durante la fase inicial de diseño proporciona a los diseñadores la oportunidad de ayudar a sus empresas a evitar cambios de diseño y problemas de producción más adelante en el proceso. El software SOLIDWORKS Plastics ofrece a los diseñadores respuestas rápidas y concretas a sus preguntas importantes, como por ejemplo si se rellenará la pieza, dónde aparecerán las líneas de soldadura, si se producirán vacíos o bolsas de aire y dónde se encontrará la mejor localización de la entrada. El software permite a los diseñadores simular la fase de llenado de moldes, no tanto con el objetivo de desarrollar herramientas efectivas, sino para comprender si las modificaciones de diseño realizadas antes del desarrollo del molde mejorarán la velocidad del diseño de herramientas, acelerarán la producción y reducirán el tiempo de comercialización.

SOLIDWORKS Plastics Professional para la optimización del diseño del moldeDesarrollar herramientas eficaces de moldeado por inyección, que permite producir piezas de alta calidad de forma consistente, de la forma más rápida y barata posible es el principal objetivo de todos los fabricantes de moldes. El software SOLIDWORKS Plastics Professional ofrece herramientas de simulación adicionales para optimizar los diseños de las herramientas de moldeado por inyección de todos los niveles de complejidad. El software permite a los fabricantes de moldes simular con precisión las fases de llenado y embalaje para determinar la presión de inyección máxima y los requisitos de tamaño de la máquina; equilibrar los sistemas de canales para obtener un llenado uniforme y evitar defectos; así como estimar el tiempo de ciclo, la presión y el caudal para optimizar los sistemas de alimentación. Simular con precisión el rendimiento de las variaciones de las herramientas (como, por ejemplo, si utilizar diseños de una sola cavidad, de varias cavidades o de familias de moldes, probar diferentes ubicaciones para los orificios, canales y entradas; o evaluar métodos avanzados tales como inserciones, entradas de válvula, o moldeado doble o moldeado asistido por gas) permite a los fabricantes de moldes crear las mejores herramientas para trabajar con más rapidez y de forma más asequible.

 

El software SOLIDWORKS Plastics permite a los diseñadores de productos determinar si su diseño tiene problemas de fabricación.

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SOLIDWORKS Plastics Premium para mejorar los tiempos del ciclo de producciónReducir los tiempos del ciclo de moldeado por inyección mediante la apertura de moldes y la expulsión de piezas de alta calidad en el menor tiempo posible es de vital importancia para el éxito de los profesionales de la fabricación de hoy en día. Con el conjunto de capacidades más avanzadas, el software SOLIDWORKS Plastics Premium ayuda a los especialistas en moldeado por inyección a alcanzar el equilibrio óptimo entre unos tiempos de ciclo rápidos y una producción de alta calidad. El software admite el diseño y la simulación de diseños de línea de refrigeración de moldeado por inyección, el desarrollo de sistemas de canales de refrigeración adaptables, la exploración de diferentes tipos de materiales y la optimización de los parámetros de procesamiento para reducir o eliminar el alabeo de la pieza moldeada. Mediante el uso de estas nuevas herramientas de simulación, los especialistas de moldeado por inyección pueden resolver los problemas que aumentan los tiempos del ciclo y llevar la producción a un nivel totalmente nuevo de rendimiento.

 

 

El software SOLIDWORKS Plastics Professional permite a los fabricantes de moldes optimizar los diseños de moldes sin depender de los moldes para prototipos.

El software SOLIDWORKS Plastics Premium ayuda a los profesionales de la fabricación de moldeado por inyección a encontrar maneras para mejorar los tiempos del ciclo de producción.

AUMENTO DE LA PRODUCTIVIDAD CON SIMULACIONES DE LLENADO DE MOLDES PRECISASLa creciente utilización de piezas de plástico moldeadas por inyección, en lugar de piezas de chapa metálica fabricadas de forma convencional, presenta varias ventajas para los fabricantes de hoy en día, que van desde la reducción del coste, el peso y el volumen a una mayor flexibilidad del diseño a través de la producción de formas más complejas y geometrías de diseño. Sin embargo, para que estas ventajas alcancen su mayor potencial, impulsar la productividad del diseño del moldeado por inyección y de las herramientas, así como lograr de forma consistente una calidad de producción alta se ha vuelto sumamente importante para tener éxito. Los fabricantes pueden aumentar la eficiencia y el rendimiento de sus operaciones de moldeado por inyección sustituyendo o aumentando las iteraciones de moldeado de prototipo tradicionales de ensayo y error con la solución de simulación de llenado de moldes SOLIDWORKS Plastics.

Tal y como el estudio de validación de UMass Lowell muestra, existe una estrecha correlación entre los resultados de la simulación de SOLIDWORKS Plastics y lo que realmente ocurre dentro de un molde. Estas simulaciones son lo suficientemente precisas como para acelerar el proceso de creación de prototipos mediante ensayo y error para optimizar diseños, herramientas y tiempos de ciclo, al mismo tiempo que se ahorra tiempo y dinero en el proceso. Mediante el perfeccionamiento de los diseños de productos y herramientas de software a través de las simulaciones de llenado de moldes precisas de SOLIDWORKS Plastics, los fabricantes pueden agilizar y mejorar el diseño de componentes moldeados por inyección, el desarrollo de herramientas y la producción.

Para aprender más acerca de cómo la precisión de las simulaciones de llenado de moldes con el software SOLIDWORKS Plastics puede mejorar sus procesos de producción y el desarrollo del moldeado por inyección, visite www.solidworks.es o llame al 902 147 741 en España o 01 800 018 4848 en Latinoamérica.

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