2. ELABORACION DE UN PROTOCOLO DE INVESTIGACION.2.1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA.

Desarrollo y estado actual del moldeo por inyeccin. Evolucin de las mquinas de inyeccin

El moldeo por inyeccin consiste bsicamente en fundir un material plstico en condiciones adecuadas e introducirlo a presin en las cavidades de un molde, donde se enfra hasta una temperatura a la que las piezas puedan ser extradas sin deformarse. El gran desarrollo que las mquinas de inyeccin han sufrido en los ltimos aos se ha visto influenciado no slo por el creciente nmero de materiales y tipo de los mismos disponibles, sino tambin por la demanda creciente de artculos de plstico. Muchos de los materiales corrientes como PS, PA, PVC, PMMA, etc., se desarrollaron en la dcada de los aos 30. El moldeo por inyeccin se aplica normalmente a resinas termoplsticas si bien, con ciertas modificaciones, se puede aplicar a materiales termoestables y a elastmeros sintticos.

En el moldeo por inyeccin un polmero en estado lquido y caliente, no Newtoniano, fluye a travs de conductos o canales de geometra compleja, las paredes de los cuales estn mucho ms fros que el propio polmero, y llena un molde que tambin tiene las paredes fras. El modelado del proceso es muy complejo, aunque existen algunos programas comerciales ampliamente extendidos como el MOLDFLOW, que han contribuido al estado actual de desarrollo de esta tcnica. El moldeo por inyeccin es, quizs, el mtodo de transformacin ms caracterstico de la industria de plsticos, y de hecho las mquinas de inyeccin modernas son un ejemplo de mquinas ideadas y fabricadas con vistas a la produccin masiva de piezas.

El proceso puede dividirse en dos fases; en la primera tiene lugar la fusin del material y en la segunda la inyeccin del mismo en el molde.

La manera de realizar estas dos fases es lo que distingue unas mquinas de otras.

A continuacin se describen las primeras mquinas de inyeccin empleadas y la evolucin lgica que sufrieron las mismas hasta llegar a las mquinas convencionales actuales. Al final del apartado se describe un ciclo completo de inyeccin en una mquina convencional.

Mquinas de pistn

En las primeras mquinas empleadas (figura1), la fase de fusin se realizaba en una cmara cilndrica de calefaccin. En estas mquinas el material, en forma de grnulos o granza, entra en el cilindro de calefaccin a travs de la tolva de alimentacin situada en la parte posterior del cilindro. El material se calienta y funde en el cilindro de calefaccin al mismo tiempo que circula hacia la parte anterior de ste, empujado en veces sucesivas por las emboladas de un pistn que se mueve ajustadamente en el cilindro de calefaccin. Este mbolo acta de pistn de inyeccin y obliga al material fundido a pasar desde el cilindro de calefaccin a las cavidades del molde, realizando as la segunda fase del proceso. Por tanto, en estas mquinas, tanto la inyeccin como la fusin se realizan en un nico cilindro diseado para cumplir estos dos fines.

Figura 1. Esquema de una mquina de moldeo por inyeccin con pistn

En las mquinas de pistn se realiza una dosificacin volumtrica de la granza, lo que significa que se alimenta a la mquina el volumen de material slido que cae delante del pistn de alimentacin, solidario al pistn de inyeccin, como se puede apreciar en la figura1. El tamao y forma de la granza de polmero suele ser bastante irregular, lo que afecta muy sensiblemente a la densidad aparente del material, y por tanto a la cantidad de material alimentado en cada embolada. El deslizamiento de los grnulos entre s tambin afecta a este tipo de dosificacin. Otro inconveniente importante es que, aunque se dispusiera de granzas muy uniformes, la reutilizacin de los recortes (mermas de produccin) no sera posible ya que incidira negativamente en el flujo del material. Por otra parte, la transmisin de calor en el cilindro de calefaccin de estas mquinas es bastante deficiente. Dada la baja conductividad trmica de los plsticos, en la prctica es difcil calentarlos rpida y uniformemente. Adems, los polmeros fundidos son sumamente viscosos y es tambin difcil crear en ellos cualquier tipo de turbulencia que mejore la mezcla. El problema de la transmisin de calor se complica an ms por la limitacin en el tiempo de permanencia del material dentro del cilindro, limitacin impuesta por razones de produccin evidentes, y en algunos casos debido a la estabilidad trmica de los polmeros. Evidentemente el diseo ms simple del cilindro de calefaccin sera un cilindro recto calentado exteriormente y dentro del cual se aloja el material. Este diseo tan elemental se emple en las primeras mquinas de inyeccin, pero muy pronto se lleg a la conclusin de que era necesario mejorara la transmisin de calor en la cmara de calefaccin para lo que era necesario hacer que la relacin entre la superficie disponible para la transmisin de calor y el volumen de material a calentar adquiera un valor lo mayor posible. Por ello se impuso el empleo de un torpedo cilndrico colocado centralmente en el cilindro de calefaccin y sujeto a las paredes del mismo por aletas laterales (figura 2) que obliga al material a circular en capas delgadas. Por lo general el torpedo lleva unas resistencias elctricas que permiten calentarlo desde el interior. Figura 2. Cilindro de calefaccin con torpedo.Otra manera de aumentar la superficie de calefaccin podra ser hacer muy larga la cmara de calefaccin, y al mismo tiempo disminuir su dimetro. Sin embargo, en este tipo de cilindros aumentan innecesariamente las prdidas de presin y la resistencia al flujo del polmero, por lo que realmente no ha habido tendencia a construir mquinas con este tipo de cmaras. Por otra parte, en las mquinas de pistn la unidad de inyeccin est constituida por el propio cilindro en el que se realiza la plastificacin (calentamiento) del material. Para que la presin sea suficientemente alta en las cavidades de moldeo es preciso que las prdidas de presin sean lo menores posible. Estas prdidas de presin se deben fundamentalmente a la friccin que tiene lugar entre los grnulos fros situados en la zona posterior del cilindro (delante del pistn de inyeccin) y a la friccin entre stos y las paredes del cilindro. La mxima cada de superficie de ataque del torpedo en donde los grnulos an sin fundir son obligados a pasar a la zona anular alrededor del torpedo. Una vez en la zona anular entre torpedo y cilindro, aunque la seccin disponible para el paso del polmero es ms pequea, el polmero est ya fundido y las prdidas de presin causadas por el flujo del polmero son relativamente menores, como se puede apreciar en la figura 3.

Figura 3. Evolucin de la presin en una mquina de pistn.

Mquinas de pistn con pre plastificacin Por los motivos mencionados, las mquinas con pistn fueron paulatinamente sustituidas por las mquinas de inyeccin con preclasificacin. En estas mquinas las etapas de fusin y plastificacin son independientes, de modo que el diseo de cada una de las zonas de la mquina resulta ms adecuado. La idea de la pre plastificacin consiste en calentar el material en una cmara o cilindro de calefaccin y transferir el material ya caliente (al que nos referiremos como material plastificado) desde esta cmara al cilindro de inyeccin. Generalmente se distinguen dos tipos de mquinas con pre plastificacin: de pistn y de husillo, segn utilicen uno u otro elemento en la cmara de preplastificacin. Adems, pueden ser en paralelo o en ngulo segn sea la disposicin relativa de los cilindros de plastificacin e inyeccin. En las mquinas de preplastificacin de pistn y en ngulo, como la de la figura 4, el material plastificado se transfiere al cilindro de inyeccin cuando ste se encuentra vaco. Durante la inyeccin del material en el molde el propio mbolo de inyeccin acta como vlvula de cierre del cilindro de plastificacin. Las mquinas con esta disposicin tienen el inconveniente de que es preciso disponer de dos estructuras diferentes para soportar los esfuerzos originados en cada cmara.

Figura 4. Mquina de inyeccin de preplastificacin con pistn en ngulo.

En las mquinas de preplastificacin con pistn y en lnea como la de la figura 5, el cuerpo del cilindro de preplastificacin acta como pistn de inyeccin una vez que el cilindro de inyeccin se ha terminado de llenar. El material plastificado entra al cilindro de inyeccin por el centro taladrado del mbolo de inyeccin, donde se coloca una vlvula para evitar el retroceso del material durante el periodo de inyeccin. Las mquinas de este tipo ofrecen la ventaja de su simetra y la de constituir mquinas compactas, junto con una mayor economa de construccin en comparacin con las mquinas de preplastificacin en ngulo. Figura 5. Mquina de inyeccin con pistn de preplastificacin en lnea.En las mquinas de inyeccin con preplastificacin suele ser frecuente el problema de que el material fundido tienda a fluir hacia la cmara de plastificacin cuando se realiza la inyeccin, o bien que tienda a salirse de la mquina mientras se llena el pistn de inyeccin. Por ello se emplean vlvulas de retencin que slo permiten el paso del polmero fundido en una direccin. Estas vlvulas suelen ser de construccin sencilla, generalmente de tipo de asiento de bola, y se abren o cierran por la propia presin del polmero. Su principal inconveniente es que pueden afectar al flujo del polmero y esto a veces puede dar lugar a defectos que aparecen en las piezas moldeadas. Adems de las vlvulas de bola, se emplean tambin vlvulas de tipo rotatorio. En cualquier caso el diseo de este tipo de vlvulas debe ser tal que no haya zonas en las que pueda estancarse el material. En otros casos el propio pistn de inyeccin sirve como vlvula que impide el retroceso del polmero hacia la cmara de plastificacin. Mquinas de husillo Las mquinas de husillo (figura 6) proporcionan un calentamiento uniforme del material as como un mezclado homogneo. En estas mquinas la inyeccin del material se realiza desde la cmara de plastificacin, que est provista de un husillo similar al de las mquinas de extrusin. El calentamiento del material se produce por tanto de forma similar a como ocurre en las mquinas de extrusin: la rotacin del tornillo transforma parte de la energa mecnica en calor por friccin, y adems las paredes calientes del cilindro contribuyen a aumentar la temperatura por conduccin. La eficiencia en la transmisin de calor de estas mquinas resulta muy elevada frente a las mquinas con pistn. Sin embargo aqu, a diferencia de lo que ocurre en las mquinas de extrusin, el tornillo adems se mueve axialmente para realizar la inyeccin. El funcionamiento de estas mquinas en cuanto al transporte de slidos, plastificacin y transporte del fundido es anlogo a lo que se estudi en el proceso de extrusin. En la actualidad son, con diferencia, las ms utilizadas, por lo que a partir de ahora nos referiremos a ellas como mquinas convencionales. Figura 6. Mquina de inyeccin de tornillo.En estas mquinas conforme el tornillo gira la mquina produce material fundido que se va acumulando en la parte anterior del mismo. Para alojar este material fundido dentro del cilindro, el tornillo debe retroceder lentamente mientras gira. Una vez que hay suficiente cantidad de material fundido acumulada delante del tornillo, se detiene el giro y se realiza un movimiento axial hacia adelante, con lo que se realiza la inyeccin del material fundido. Esta secuencia de movimientos se puede apreciar en la figura .7. Al igual que en las mquinas de extrusin, el diseo del tornillo viene determinado por las caractersticas del polmero con que se ha de trabajar y por las condiciones del proceso. Las variaciones de diseo se consiguen modificando el paso de hlice, la profundidad del canal y la longitud del tornillo.

Figura 7. Secuencia de movimientos de una mquina de inyeccin convencional. Un tornillo con movimiento axial, que acta como pistn de inyeccin, tiene que vencer una gran resistencia para realizar la inyeccin. Por eso en ocasiones se emplean mquinas que presentan un tornillo de extrusin en la cmara de plastificacin y un cilindro de inyeccin, como la que se muestra en la figura 8

Figura 8. Mquina con tornillo preplastificador y pistn de inyeccin.

EL CICLO DE INYECCIN De acuerdo con lo visto hasta ahora, un ciclo de inyeccin en una mquina convencional puede considerarse constituido por los tiempos y movimientos siguientes: a) Tiempo de cierre del molde, durante el cual acta el sistema de cierre, la mquina ejecuta el movimiento necesario y cierra el molde. b) Tiempo de avance de la unidad de inyeccin, durante el cual la unidad de inyeccin, que hasta ese momento se encuentra separada del molde, avanza hasta que la boquilla se posa sobre el bebedero del molde (punto de entrada al molde). c) Tiempo de llenado o de inyeccin, en el que el pistn o el husillo avanza realizando la inyeccin del material. En este tiempo el molde se llena con el polmero inyectado. El tiempo necesario para realizar la inyeccin depende del polmero empleado, de la temperatura que ste alcanza, de la velocidad de avance del husillo, del tamao del molde y de los canales que ponen en comunicacin el molde con el cilindro de inyeccin. d) Tiempo de compactacin (o tiempo de moldeo o de mantenimiento), durante el cual el molde permanece cerrado y el polmero comienza a enfriarse en el molde. Cuando el material comienza a enfriarse se contrae, por lo que para mantener la presin en el molde durante este periodo se suele introducir lentamente algo ms de material dentro de la cavidad de moldeo, lo que compensa la contraccin. Este periodo puede variar entre unos segundos y varios minutos. El peso final de la pieza, su estabilidad dimensional y las tensiones internas que pudieran aparecer dependen de cmo se realice esta etapa, que finaliza en el momento en el que el material que ocupa la entrada del molde solidifica, de modo que ya no es necesario mantener la unidad de inyeccin en posicin avanzada para seguir manteniendo la presin. e) Tiempo de retroceso de la unidad de inyeccin. Cuando la entrada a la cavidad solidifica la unidad de inyeccin retrocede, y comienza el movimiento rotatorio del husillo para plastificar el material para la siguiente etapa, simultanendose con la fase de enfriamiento, apertura del molde y extraccin de la pieza y acelerando as el tiempo total de ciclo. f) Tiempo de enfriamiento, necesario para enfriar el polmero que ocupa las cavidades del molde. Generalmente se toma este tiempo desde que acaba la etapa de compactacin hasta que se abre el molde, sin embargo realmente el enfriamiento del material comienza tan pronto como el polmero toca las paredes fras del molde, y finaliza cuando se extrae la pieza, por lo que el enfriamiento tiene lugar tambin durante las etapas de llenado y compactacin. g) Tiempo de apertura del molde, durante el cual se abre el molde. Este tiempo viene a ser aproximadamente constante para cada mquina. h) Tiempo de extraccin de la pieza, durante el cual se sacan las piezas moldeadas de las cavidades de moldeo. i) Tiempo con el molde abierto, que generalmente es muy corto, pero que en ocasiones puede ser considerable, por ejemplo si es preciso colocar inserciones metlicas en el molde. La figura 9 muestra la duracin relativa de cada una de estas etapas. Por ejemplo, un ciclo para la fabricacin de peines de polietileno est compuesto por los siguientes tiempos: tiempo para cerrar el molde y para el avance de la unidad de inyeccin 1s (mold closing time); tiempo de inyeccin 1s (mold filling time); tiempo de compactacin 5 s (injection hold time); tiempo de enfriamiento 16 s (clamp time); tiempo de apertura del molde 2 s (mold opening time); tiempo de extraccin de la pieza 5s (part removal time).

Figura 9. Duracin relativa de las diferentes etapas del ciclo de inyeccin en una mquina convencional. Mquinas de inyeccin Caractersticas bsicas de las mquinas Antes de seguir adelante conviene aclarar y definir algunos conceptos y vocablos propios de las mquinas, moldes y tecnologa del moldeo por inyeccin. Con respecto a la mquina debemos considerar las siguientes caractersticas bsicas que son las primeras consideraciones que se realizan a la hora de definir una mquina de inyeccin, como son capacidad de inyeccin, capacidad de plastificacin, presin de inyeccin mxima, fuerza de cierre mxima y velocidad de inyeccin mxima. Se entiende por capacidad de inyeccin la cantidad mxima de material que una mquina es capaz de inyectar de una sola vez en un molde a una presin determinada. La capacidad de inyeccin proporciona una idea de las posibilidades de la mquina considerada. En los catlogos de los fabricantes de mquinas de inyeccin en ocasiones se indica la capacidad de inyeccin como el peso mximo, expresado en gramos, que puede inyectar la mquina en un solo ciclo, supuesto que no se ha colocado ningn molde o que ste ofrece muy poca resistencia a la entrada del polmero. Es frecuente encontrar la capacidad de inyeccin referida al polietileno, aunque en ocasiones tambin viene referida a otros materiales de uso comn en inyeccin. En ocasiones tambin se expresa la capacidad de inyeccin de la mquina como el volumen barrido por el husillo de inyeccin en su recorrido hacia adelante, lo que resulta menos ambiguo que referirla a un tipo concreto de material. En una situacin real la capacidad de inyeccin viene determinada por el dimetro y la carrera del pistn o husillo de inyeccin, as como por el tipo de molde utilizado, la temperatura que alcanza el polmero fundido, la presin a que se inyecta y otras variables. Cuando se emplea un molde que es difcil de llenar, la capacidad real de inyeccin de la mquina es siempre algo menor que la indicada por el fabricante. La unidad de inyeccin suele escogerse de forma que sea capaz de contener material suficiente para dos ciclos. En otras palabras el 50% de la capacidad de inyeccin de un cilindro debera vaciarse en cada ciclo. Por otra parte, la cantidad de material introducida en el molde nunca debera ser inferior al 20% ni superior al 80% de la capacidad del cilindro, de modo que el tiempo de permanencia del material en la cmara de plastificacin no sea excesivamente largo para evitar que el material se degrade, ni excesivamente corto para evitar que no se encuentre plastificado. Capacidad de plastificacin La capacidad de plastificacin es otro dato muy importante para evaluar las posibilidades de una mquina de inyeccin, sin embargo no es fcil expresar numricamente este concepto. Se puede definir, aunque ambiguamente, como la cantidad mxima de material que la mquina es capaz de plastificar por unidad de tiempo. Para comprender mejor este criterio es preciso aclarar que por plastificar un polmero debe entenderse el calentar ste lo suficiente para que alcance una temperatura a la que pueda ser inyectado, y esta aclaracin mantiene la ambigedad de la definicin anterior. Evidentemente, la capacidad de plastificacin depende de la eficacia de calefaccin de la cmara de plastificacin y de las propiedades trmicas del polmero que se calienta. No hay mtodo universalmente aceptado que indique las condiciones en que debe medirse la capacidad de plastificacin de una mquina. Como en el caso de la capacidad de inyeccin, cada fabricante indica en el catlogo de sus mquinas la capacidad de plastificacin de stas expresada como caudal mximo plastificado de un material en unas condiciones de procesado determinadas, por lo general polietileno (en kg/h o g/s), de modo que slo sirve como gua para hacer comparaciones aproximadas entre mquinas de diversa procedencia.

Presin de inyeccin La presin de inyeccin es una caracterstica mejor definida. Se entiende por presin de inyeccin la medida en la cara delantera "a del pistn de inyeccin o husillo (figura 10). Como el husillo est actuado por un pistn hidrulico al que es solidario, la fuerza en ambas caras "A y a ser la misma, y si p es la presin de la lnea hidrulica y P la presin de inyeccin se cumplir

La presin p en la lnea puede leerse en un manmetro M y la relacin de superficies entre las caras de los pistones (A/a) es una caracterstica de construccin de la mquina que debe conocerse. Las mquinas convencionales se construyen con relaciones A/a entre 8 y 9 generalmente. Esta presin de inyeccin P no es la misma que la mxima presin que se desarrolla en las cavidades de moldeo, la cual es bastante menor y puede tener valores solamente del 20% de la presin de inyeccin y aun menores, dependiendo de las caractersticas del molde, de las condiciones de moldeo y del polmero utilizado. Figura 5.10. Posicin en la que se determina la presin de inyeccin, P, y la presin del sistema hidrulico, p, que acta sobre el tornillo. Velocidad de inyeccin La velocidad de inyeccin es el caudal de material que sale de la mquina durante el periodo de inyeccin; se expresa generalmente en cm3/s y es una medida de la rapidez con que puede llenarse un molde dado. La velocidad de inyeccin viene principalmente determinada por la velocidad de avance del pistn o husillo, y tambin se puede expresar como el nmero de veces por unidad de tiempo que el tornillo puede efectuar su recorrido completo de ida y vuelta cuando la mquina funciona en vaco, es decir, sin molde y sin material de moldeo. Naturalmente, esta caracterstica de la mquina slo depende de las dems caractersticas con que ha sido construida y en especial del tipo de sistema hidrulico utilizado.

2.2. PLANTIAMIENTO DEL PROBLEMA.

Componentes.

NOPIEZAMATERIALFUNCIONES

1

TOLVA

LAMINA Almacenamiento de polmeros esta tolva almacenara cierta cantidad de material segn su diseo.

2RESERVA DE FUNDIDOTUVO GALBANISADOAqu en esta parte de la mquina cae el material a fundir y se almacena hasta ser inyectada con un pistn.

3CALENTADOR RESISTENCIAS ELECTRICAS DE 365 WLa temperatura de esta resistencia depende del termostato.

4HUSILLOREDONDO DE ACERO INOXIDABLE

El husillo de esta mquina hace ms la funcin de un pistn

5BANCOPLACA, PTR, SOLERA, REDONDO DE Este banco va fijo es la base de toda la mquina de inyeccin.

6MANERALCUADRADO Y REDONDO DE ACERO INOXIDABLE Dependiendo del largo del maneralEs la palanca que se produce y se inyecte ms con menor fuerza

7SISTEMA ELECTRICOALAMBRE DE COBRE #10, TERMOSTATO, CLAVIJAEs conveniente hacer clculos elctricos para meter el material ms adecuado para tener una buena duracin de los elementos.

2.3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION: GENERAL Y ESPECFICOS

Objetivo general:Disear y fabricar una maquina inyectora de plstico que sea capaz de fabricar botones para la industria textilObjetivos especficos:La resistencia se encargara de calentar el material para poderlo fundir y despus inyectarlo al molde de botones Por medio de una tolva introduciremos nuestro material (pellets) y por medio de una palanca lo bajaremos por un conducto el cual lo calentara y lo fundir para despus inyectarlo en un molde de botones para obtener nuestra pieza deseada

2.4. FORMULACION DE HIPOTESIS O SUPUESTOS.La tolva se encargara de suministrar el material por un conducto, que posteriormente ser calentado El maneral tendr que aplicar la fuerza necesaria al momento de bajar para inyectar el plstico fundido en el molde de botones La resistencia tendr que calentar nuestro material (pellets) de tal forma que este a una temperatura regular para que pueda ser inyectado y no quede ni muy frio (duro) ni muy caliente (liquido)El banco se encargara de fijar a tierra nuestra maquina inyectora manual, para evitar una mala inyeccin al momento de bajar el maneral El molde que utilicemos tendr que resistir la temperatura del material, al igual que tendr que

2.5. JUSTIFICACIN.2.5.1. Impacto social.Crear una mquina de inyeccin manual de plstico en la cual nosotros introduciremos el molde segn la pieza que deseemos realizar para empezar a fabricar nuestras propias piezas, en este caso nuestro producto sern diferentes tipos de botones para la industria textil (ropa).Con esta mquina podremos ofrecer versatilidad en nuestras piezas (botones) ya sea en diseo de las piezas y diferentes tamaos Un aspecto importante del proceso de inyeccin de plstico es que no produce contaminacin directa al no emitir gases contaminantes ni altos niveles de ruido.Adems de ser esta inyectora de plstico manual es muy simple ya que por ser manual no necesita de la hidrulica, de sistema de enfriamiento ni corriente trifsica ni ayuda de ningn motor ya que solo llevara algunos componentes muy pequeos estos seran debido a su tamao.Esta mquina ser un tanto sencilla al carecer de componentes de automatizacin, pero ser lo suficientemente capaz de terminar nuestro producto (botones).

2.6. DISEO DEL MARCOTEORICO.2.7. BOSQUEJO DEL METODO.

2.8. CRONOGRAMA.

Primer semestreSexto semestre Sptimo semestre Octavo semestre

Fundamentos de investigacin ACC0906Taller de investigacin 1ACA0909Taller de investigacin 2ACA0910Gestin de proyectos MEC1011

Diseo mecanico1MED1008Diseo mecnico 2MED1009

2.9. PRESUPUESTOEl presupuesto para disear y fabricar la mquina inyectora de plstico manual oscila entre los 7,000.00 y 9,000.00 pesos, por lo cual nuestra mquina si corresponde ya que es una cifra considerable y muy viable

2.10. FUENTES DE INFORMACIN

-LIBRO:Tecnologa de Polmeros. M. Beltrn y A. Marcilla