proceso de inyección

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Proceso de inyección de plásticos

I.Q. MSc. JOHNNY F. OBANDO B

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Índice

1. Proceso de fabricación: Historia, inyección de plástico: fase de inyección, punto de cambio, fase de sostenimiento, fase de carga.

2. Influencia del molde sobre el producto inyectado: importancia del correcto diseño, principales recomendaciones de diseño (espesores, cambios de espesor, radios, costillas, ángulo de desmoldeo, coladas, diseño de corredores, balance de cavidades, tipo de entrada, gate o punto de inyección, criterios generales para la colocación del punto de inyección, canales de enfriamiento, botadores, salidas de aire o venteos, aceros para moldes.

3. Defectos en el proceso de inyección: alabeo, Rechupes y vacuolos, líneas de unión, rebabas, fragilidad mecánica, precisión dimensional.

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Historia

La primera máquina de inyección la creó John Hyatt en 1872, inyectaba derivados celulósicos.

En 1928 la compañía alemana Cellon – Werkwcreó la máquina de inyección mnoderna. Paralelamente en inglaterra la empresa Hughes Ltda patentaba un equipo similar.

Estas antiguas máquinas eran manuales y los controles incluían válvulas manuales.

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Historia

1932 aparece la primera máquina con sistemas eléctricos.

1951 en Estado Unidos se desarrolló la primera máquina con tornillo resiprocante o de husillo.

A partir de la segunda guerra mundial la industria de la inyección de plástico tuvo un gran crecimiento.

En los 80’s mejoraron los procesos de mecanizado como el surgimiento de software de simulación que mejoró la calidad de las piezas y con ello se disparó su demanda.

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Inyección de plásticos

Proceso consistente en fundir plástico e inyectarlo en un molde para que adopte su forma. Este proceso ocupa el 60% de los procesos de producción de plásticos.

El ciclo de inyección consta de seis pasos que son:.

1. Cierre molde

2. Inyección plástico

3. Presión de sostenimiento

4. Retroceso husillo y enfriamiento

5. Apertura y Expulsión

6. Cierre

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Inyección de plástico

El ciclo de inyección es el siguiente:

1. Cierre del molde vacío

2. Inyección de material fundido mediante un tornillo, que actúa como pistón, a una velocidad y presión seleccionada

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3. Presión de sostenimiento: una vez terminada la inyección se mantiene presión para que solidifique y contra-restar la contracción de la pieza. Se le conoce como presión de compactación o compresión.

4. El tornillo gira empujando material , fundiéndolo, y aumentando la presión sobre la boquilla cerrada haciendo retroceder el tornillo preparando el polímero fundido para el siguiente ciclo.

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5. El material se sigue enfriando: una vez terminado el tiempo de enfriamiento se abre el molde y se extrae la pieza.

6. El molde se cierra y se inicia de nuevo el ciclo

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Equipos de inyección de plástico

Una máquina de inyección de plástico consta de cuatro partes principales:

1. Unidad de inyección: sistema de alimentación, fundición y transporte de plástico

2. Unidad de cierre: soporta el Molde plástico3. Unidad de potencia: se encarga de transmitir

energía a todos los sistemas del equipo. 4. Unidad de control: controla los parámetros de

proceso: temperatura, tiempos, presiones y velocidades.

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Inyectora

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Elementos de diseño

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El proceso de diseño consta de 4 pasos fundamentales:

1. Diseño de producto.

2. Selección de materiales

3. Diseño y fabricación del molde

4. Fabricación e inspección de piezas

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Elementos de diseño1. Información de la pieza

Una vez se ha realizado el diseño y selección del material base de la pieza se inicia el proceso de diseño del molde para lo que se requiere:

a. Geometría

b. Material

c. Peso

d. Volumen

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Elementos de diseño2. Requerimientos del equipo o del transformador: Es la

información básica de la máquina que se encargará del proceso de inyección.

a. Fuerza de cierre

b. Altura máxima del molde

c. Carrera de apertura

d. Espacio entre barras

En cuanto a la unidad de inyección: a. diámetro del husillo

b. Volumen de inyección

c. Presión de inyección

d. Velocidad máxima del husillo

e. Velocidad de inyección

f. Capacidad de plastificación

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3. Verificación geometría de la pieza: se revisa la geometría de la pieza y se proyecta la complejidad del molde.

Se revisa:

• Uso de radios y redondeos para reducir esfuerzos.

• Espesor de la pieza uniforme para evitar rechupes y esfuerzos.

• Mantener distancias adecuadas en caso de orificios.

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Uniformidad de espesores

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Uniformidad de Espesores

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4. Anteproyecto del molde:

Esta información contiene:

1. Configuración del molde

2. Tipo de molde

3. Número de cavidades

4. Sistema de alimentación: posición de la línea de partición, tipo de sistema de inyección.

5. Extracción

6. Refrigeración.

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Tipos de moldes

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Tipos de moldes

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Cantidad de cavidades:

Este punto depende de la geometría de la pieza y su requerimiento de volumen. Con la siguiente información se calcula el volumen máximo que puede inyectar la máquina.

Con esta otra ecuación se calcula el valor real de cavidades, ya que F1 es el valor teórico e igual al 100% de la capacidad de la máquina.

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Área proyectada y fuerza de cierre

El dato anterior requiere más datos, como es el espacio disponible para el molde (distancia entre columnas) y el área proyectada.

Área proyectada: la fuerza producida por la inyección del plástico no debe ser mayor a la ejercida por el cierre del molde.

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Con la información anterior se determina el número de cavidades como el tipo de molde a utilizar. Ahora se diseñarán cada una de las partes del molde.

Las partes del moldes se pueden dividir en:a. Sistema de alimentaciónb. Sistema de expulsiónc. Sistema de refrigeraciónd. Guías del molde

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Sistema de alimentación:

Se encarga de dirigir la masa fundida del cilindro de plastificación y dirigirla a la cavidad del molde.

Este sistema consta de Cono de bebedero (mazarota, canal de entrada) , canal de alimentación (araña, repartidor distribuidor) y sección de ataque.

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Diseño de la boquilla

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Canales de distribución:

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Diseño de la colada

Cónica puntiforme paraguas

Tunel Disco

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Estudio reológico

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Angulo de desmoldeo

• Mínimo 1°, si hay texturizados mayor anguloque deberá ser 1° más por cada 0,025 mm de profundidad.

• El texturizado debe tener la dirección de salida o expulsión de la pieza.

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Solución a problemas de inyección

1. Problema:“Manchas de material color oscuro”Qué es?: Degradación térmica, material quemadoPosible Causa:Degradación del plástico fundidoSoluciones:Comprobar la temperatura de la masa y el tiempo de

residencia en el cilindro. Reducir ciclo de tiempo, purgar y limpiar el tornillo y el

cilindro., Verificar calidad de material, el material puede estar demasiado seco.

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2. Problema:“Delaminación del plástico”Qué es?: Separación de capasPosibles Causa:Contaminación o uso de polímeros incompatiblesSoluciones: Comprobar si hay contaminantes u otros materiales,

verificar compatibilidad. Ajustar velocidad de la inyección, aumentar temperatura de fusión y del molde, verificar el secado del material y la homogeneidad de la mezcla de la fusión y de los plastificantes.

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3. Problema:“Piel de naranja”Qué es?: Aspecto irregular de la superficiePosibles Causa:Presión baja en la cavidadSoluciones: Aumentar presión y velocidad de inyección. Limpiar

superficie del molde, incrementar temperatura del molde, incrementar temperatura del cilindro, aumentar la temperatura de fusión y estar seguros que la ventilación sea la adecuada.

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4. Problema:“Rebabas”Qué es?: Exceso de material en la línea de cierredel moldePosible Causa:Presión de inyección muy alta o anillo antiretorno dañado. Soluciones:Disminuir la presión de inyección y comprobar el anillo

antiretorno. La temparatura es muy baja generando sobrepresión, insuficiente número de tornillos de ensamble o mala ubicación.

Termopar en la boquilla puede estar sobrecalentando y dañando la válvula antiretorno, reemplazar termocupla.

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5. Problema:“quemadura por gas aprisionado– efecto diesel”Qué es?: Oxidación por aire preso en la cavidad y que no puede escapar.Posible Causa:Velocidad de inyección alta y/o falta de salida de gases. Soluciones:Mejorar las salidas de gases y/o reducir velocidad de

inyección. Reducir la temperatura de fusión y del molde,

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6. Problema:“Chorro”Qué es?: Aspecto irregular del flujo de material en la piezaPosible Causa:Velocidad de inyección alta y/o entradas muy pequeñas y/o

diseño pobre de la pieza. Soluciones:Adecuar velocidad de inyección, mejorar entradas al molde y

diseño de la pieza. Aumentar temperatura de fusión y del molde,

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7. Problema:“Pieza incompleta”Qué es?: Falta de material en la piezaPosible Causa:Presión de inyección baja, temperaturadel molde baja o dosificación inadecuadaSoluciones:Comprobar presiones, temperatura del molde y cantidad

dosificada. Revisar escapes de aire, verificar diámetros de los ductos de colada (muy estrechos), temperatura de boquilla baja, revisar la válvula antiretorno.

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8. Problema:“tensiones y grietas”Qué es?: Máxima deformación supera Propiedades del materialPosible Causa:Exceso de presión, baja temperatura de molde y de fusión

ocasionando sobre esfuerzos en la inyección o diseño del molde

Soluciones:Revisar diseño del molde, verificar características del plástico,

aumentar temperatura del molde y temperatura de fusión.

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9. Problema:

“líneas de soldadura visibles”

Qué es?:

Se observan líneas en el

producto

Posible Causa:

Se produce cuando dos o más líneas de flujo se encuentran a una viscosidad muy elevada y no hacen la soldadura apropiada

Soluciones:

Aumentar temperatura del molde, temperatura de fusión,

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10. Problema:“Rechupes”Qué es?: Contracciones del material.Posible Causa:Se produce durante el

enfriamiento cuando el material no tiene como compensar la contracción.

Soluciones:Modificar entradas de material,

aumentar espesores , regular presión de inyección

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11. Problema:

“Deformación - alabeo”

Qué es?:

Deformación de la pieza

Posible Causa:

Fuerzas de desmolde demasiado elevadas, u obstáculos durante desmolde.

Soluciones:

Reducir tiempo de sostenimiento o incrementar tiempo de enfriamiento.

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12. Problema:“burbujas”Qué es?: Aire atrapado en el materialPosible Causa:Durante la inyección aire es atrapado en el material

fundido y aparece como burbujas en la pieza. Soluciones:Modificar variables de proceso como aumentar

temperatura de fusión, del molde, aumentar velocidad de inyección, aumentar tiempo de sostenimiento y revisar válvula anti retorno.

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Diseño de un molde

Los moldes requieren de un proceso para su construcción, se deben tener revisar desde un principio todas estas variables para que al final el molde cumpla con las expectativas y el tiempo de vida programado.

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Descripción de la falta Falla probable Posible soluci ón

Cambios drásticos de sección, amplia diferencia de espesores de pared en áreas adyacentes, protuberancias.

En el temple las secciones delgadas se endurecen mas rápidamente que las secciones adyacentes de mayor espesor, creando tensiones y esfuerzos que exceden la resistencia del metal originando la falla.

Hacer insertos o hacer el troquel empastillado. Utilizar aceros de temple al aire.

Ángulos vivos o agujeros con bordes cortantes.

La fractura ocurre particularmente en el temple debido a concentración de esfuerzos.

Evitar los ángulos vivos por radios pronunciados. Utilizar aceros de temple al aire.

Chabeteros con ángulos vivos

La falla puede ocurrir durante el temple o en el servicio. La falla se produce por fatiga (concentración de esfuerzos en los ángulos).

Se recomienda el uso de chabeteros, cajas con radios redondeados.

Cambios bruscos de sección en punzones, martillos, machos (battering tools)

Debido a impactos durante el servicio, particularmente herramientas neumáticas, son sensibles a concentradores de esfuerzo que llevan a la falla por fatiga.

Use transiciones cónicas.

Inadecuado diseño funcional de la herramienta, por ejemplo: Insuficiente ajuste de un martillo.

Excesivo desgaste o roturas en servicio

Asegurarse de un soporte sólido de la herramienta, evitar juegos innecesarios, adaptar el recorrido de la herramienta, etc.

Tolerancias inapropiadas en la herramientas, para procesos de troquelado y herramientas de estampación.

Deformación, rebabas, excesivo desgaste de la herramienta o rotura.

Adaptar las tolerancias para las condiciones de la herramienta, reducir la carga a la herramienta y obtener superficies de corte limpias.

Fallas Comunes en diseño de herramientasFallas Comunes en diseño de herramientas

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Selección de material

El material para un molde plástico debe cumplir con las siguientes características:

1. Buen coeficiente de conductividad térmica.2. Resistencia a la corrosión3. Resistencia al desgaste.4. Buena tenacidad.5. Buen brillo para el pulido.6. Baja deformación durante el tratamiento térmico.7. Buena maquinabilidad8. Tamaño de la producción corta, media o alta. 9. Resistencia a la compresión

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Materiales disponibles para moldes

Aceros No ferrososThyssen AISI Uddeholm BOEHLER ASSAB

2311 P20 IMPAX - 718

2312 P20+S HOLDAX M200

2738 P20+Ni IMPAX SUPREME

M238

2344 H13 ORVAR 2M W302 8407

2379 D2 SVERKER 21 K110 XW-41

2083 420 STAVAX M310 STAVAX

2316 420 mod M300

2085 420 F RAMAX S M314

PH 15-5

1045

4140 4340

Tipo de material

Uddeholm Thyssen

Aluminio 7079

Alumec Alumold

Aluminio 7075

7075 7075

Cobre - berilio MoldmaxProtherm

Elmedur

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Descripción de la falla Falla probable Posible Soluci ón

Inapropiada selección del material Fallas típicas:Desportillado, insuficiente tenacidad.Pobre resistencia al desgaste abrasivo.Dureza inadecuada.

Seleccionar el material adecuado.

Defectos del material, grietas superficiales, rechupes, inclusiones, hojuelas, etc.

Cuando no se inspecciona el material, las herramientas hechas con este material defectuoso pueden a menudo ser inútiles.

Obtener materiales de fuentes confiables e inspeccionar el material para detectar defectos.

En caso de encontrar alguno, se debe informar inmediatamente al proveedor.

Capa superficial descarburizada en barras laminadas de acero de herramientas

Se pueden originar grietas y fracturas desde la capa descarburizada o la pieza tener una capa no endurecida (“capa descarburizada”).

Adquirir el acero con la tolerancia necesaria para remover esta capa de todas las caras del acero de herramientas. Se recomienda remover la cantidad listada por el proveedor para cada acero y de acuerdo al tamaño de la sección, por lo general es de un 10% para secciones pequeñas (<1” de espesor) y de un 5% para las de mayor tamaño

Fragilización por una pobre distribución de los carburos en un acero de alta aleación.

Excesiva fragilidad que puede llevar a desportillamientos, grietas, fisuras o la fractura de la pieza durante el servicio.

Barras con diámetro superior a las 4 pulgadas no tienen una distribución uniforme de carburos. Seleccione discos forjados en vez de barras de gran diámetro.

Desfavorable dirección de grano. Inapropiada dirección del grano del material utilizado para matrices de corte, punzones, cuchillas y herramientas similares. pueden causar su rotura.

Verificar la dirección de grano y diseñar las piezas para que ésta esté en la dirección correcta.

Errores en la selección del aceroErrores en la selección del acero

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Cambio Longitud %

Ancho % Espesor %

Temple aceite desde 990 ºC

Mín.Máx.

-0,02-0,06

+0.,08+0,12

+0,08

Temple por martempering

Mín.Máx.

0-0,01

+0,05+0,06

-0,12

Temple al aire de 990 ºC

Mín.Máx.

+0,02+0,03

+0,04+0,05

+0,05

TOLERANCIAS Y DEFORMACIÓNTOLERANCIAS Y DEFORMACIÓN

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Procesos de mecanizado

De acuerdo al material se deben utilizar las herramientas de mecanizado correctas con sus avances y velocidades apropiadas.

La lubricación con la solución correcta, como una muy buena lubricación evita sobrecalentamientos y ayuda a eliminar la viruta.

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Tratamiento térmico

Aceros

No ferrosos

Tratamiento térmico aceros

Alivio térmicoSubcero y/o criogénico

Nitruración Cementación

temple Revenido

Tratamiento térmico no ferrosos

Envejecimiento Recocido

Solución

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Procesos de acabado

Estos procesos son vitales, porque el material ya cuenta con tratamiento térmico y está cerca de sus medidas finales.

Procesos como rectificado, electroerosión por electrodo o por hilo llevan la pieza a medidas finales.

El proceso se realiza con las herramientas adecuadas para el material y con los avances y velocidades recomendados.

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Origen de la falla Falla probable Posible solución

Excesiva velocidad de remoción de material que causa un calentamiento de la pieza hasta temperaturas similares o superiores a la de los revenidos.

La superficie adopta colores de revenido que varían entre amarillo y púrpura. Los sitios sobrecalentados pierden dureza y si se utiliza refrigerante se producen temples localizados generando grietas.

Para prevenir estos problemas se debe utilizar las velocidades, los avances y la piedra apropiada para el tipo de acero con abundante refrigerante.

Inapropiada selección de las especificaciones de la piedra del rectificado. Tamaño de grano y dureza.

Calentamientos intensos localizados durante el rectificado que conllevan a grietas de rectificado. Estas grietas son paralelas a la dirección del rectificado o en condiciones mas extremas forman una red. Estas grietas requieren para ser identificadas del uso de técnicas como tintas penetrantes, partículas magnéticas, etc.

Remover la capa afectada, cuando el diseño lo permita: Hacer alivio de tensionesRemover la capa afectada rectificando correctamente hasta eliminarla.Se repite alivio de tensiones.

Incorrecta avance de la piedra e incorrecta selección del material de la misma.

El calentamiento de la superficie de trabajo puede ocasionar descascaramiento o fracturas. Incorrecto pulimento puede ocasionar un acabado pobre de las superficies.

Seleccionar tamaño de grano, material de la piedra, avance y velocidad.

Inadecuada refrigeración. Se produce en la superficie del metal calor que no es disipado o absorbido por el refrigerante causando ablandamiento y/o desarrollando fisuras.

Aplicar el refrigerante apropiado y reducir la velocidad de arranque de viruta

Errores en el rectificado del aceroErrores en el rectificado del acero

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ELECTROEROSIONADO y EDM

Se deben hacer cortes de material en los espacios donde después del tratamiento térmico se hará electroerosionado para aliviar tensiones que llevarán a la formación de grietas, fisuras y fracturas.

Se recomienda hacer un alivio de tensiones después del electroerosionado y retirar la capa blanca.

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Pulido

El pulido es él último paso del mecanizado y uno de los más importante, ya que cuesta el 30% del costo del molde.

El resultado dependerá de la calidad del material, de la técnica utilizada, de la limpieza y de las características del material (dureza, inclusiones, tamaño de grano).

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