Conceptos de inyección de plástico

Moldeo por Inyección

El moldeo por inyecciones un proceso con el que se calienta un polímero hasta que alcanza un estado muy plástico y se le fuerza a que fluya a alta presión hacia la cavidad de un molde, donde se solidifica. Entonces la pieza moldeada, llamada moldeo, se retira de la cavidad. El proceso produce componentes discretos que casi siempre son de forma neta. Es común que el ciclo de producción dure de 10 a 30 segundos, aunque no son raros ciclos de un minuto o más. El moldeo determina la forma y el tamaño de la pieza, y es la herramienta especial en el moldeo por inyección. Para piezas complejas y grandes, el moldeo llega a costar cientos de miles de dólares. El moldeo por inyección es económico solo para cantidades grandes de producción. El moldeo por inyección es el proceso que más se  usa para los termoplásticos. Algunos termófilos y elastómeros se moldean por inyección, con modificaciones en el equipo y parámetros de operación, a fin de permitir el entrecruzamiento de estos materiales. 

Maquinaria y proceso

Una máquina de moldeo por inyección consta de dos componentes principales:

a) la unidad de inyección de plástico

b) la unidad de sujeción de molde.

Unidad de inyección

La función principal de la unidad de inyección es la de fundir, mezclar e inyectar el polímero hacia la cavidad del molde. Es muy parecida a un extrusor, consiste en un barril al que se alimenta desde un extremo por una tolva que contiene un suministro de pellets de plástico. Dentro del barril hay un tornillo extrusor en el siguiente aspecto: además de girar para mezclar y calentar el polímetro, también actúa como martinete que se mueve con rapidez hacia delante para inyectar el plástico fundido al molde. Una válvula sin retorno montada cerca de la punta del tornillo impide que el fundido fluya hacia atrás a lo largo de las cuerdas de aquel. En una etapa posterior del ciclo de moldeo, el martinete vuelve a su posición original. Debido a su acción dual, se denomina tornillo reciprocante, nombre que también identifica el tipo de máquina.

Para lograr esto se utilizan husillos (tornillos de hierro o madera que se usan en el movimiento de algunas máquinas) de diferentes características según el polímero que se desea fundir. El estudio del proceso de fusión de un polímero en la unidad de inyección debe considerar tres condiciones termodinámicas:

La temperatura de procesamiento del polímero. La capacidad calorífica del polímero Cp [cal/g °C].

El calor latente de fusión, si el polímero es semicristalino.

Unidad de cierre

Es una prensa hidráulica o mecánica, con una fuerza de cierre bastante grande que contrarresta la fuerza ejercida por el polímero fundido al ser inyectado en el molde.

Se relaciona con la operación del molde, sus funciones son:

1) mantener las dos mitades del molde alineadas en forma correcta una con otra

2) mantener cerrado al molde durante la inyección.

3) abrir y cerrar el molde en los momentos apropiados del ciclo de inyección.

La unidad de abrazadera consiste en dos placas, una fija y una móvil, y un mecanismo para mover esta. El mecanismo básicamente es una prensa de potencia que funciona por medio de un pistón hidráulico o dispositivos de palanca mecánica de varios tipos.

Las fuerzas localizadas pueden generar presiones del orden de cientos de MPa, que sólo se encuentran en el planeta de forma natural únicamente en los puntos más profundos del océano.

Si la fuerza de cierre es insuficiente, el material escapará por la unión del molde, causando así que la pieza final tenga defectos de rebabas. Es común utilizar el área proyectada de una pieza (área que representa perpendicularmente a la unidad de cierre el total de la cavidad) para determinar la fuerza de cierre requerida, excluyendo posibles huecos o agujeros de la pieza.

Ciclo de moldeo

En el ciclo de moldeo se distinguen 6 pasos:

1. Molde cerrado y vacío. La unidad de inyección carga material y se llena de polímero fundido.

2. Se inyecta el polímero abriéndose la válvula y, con el husillo que actúa como un pistón, se hace pasar el material a través de la boquilla hacia las cavidades del molde.

3. La presión se mantiene constante para lograr que la pieza tenga las dimensiones adecuadas, pues al enfriarse tiende a contraerse.

4. La presión se elimina. La válvula se cierra y el husillo gira para cargar material; al girar también retrocede.

5. La pieza en el molde termina de enfriarse (este tiempo es el más caro pues es largo e interrumpe el proceso continuo), la prensa libera la presión y el molde se abre; las barras expulsan la parte moldeada fuera de la cavidad.

6. La unidad de cierre vuelve a cerrar el molde y el ciclo puede reiniciarse.

Molde

El molde (también llamado herramienta) es la parte más importante de la máquina de inyección, ya que es el espacio donde se genera la pieza; para producir un producto diferente, simplemente se cambia el molde, al ser una pieza intercambiable que se atornilla en la unidad de cierre.

Las partes del molde son:

Cavidad: es el volumen en el cual la pieza será moldeada, se forma con la extracción de metal de las superficies.

Canales o ductos: son conductos a través de los cuales el polímero fundido fluye debido a la presión de inyección. El canal de alimentación se llena a través de la boquilla, los siguientes canales son los denominados bebederos y finalmente se encuentra la compuerta.

Canales de enfriamiento: Son canales por los cuales circula agua para regular la temperatura del molde. Su diseño es complejo y específico para cada pieza y molde, ya que de un correcto enfriamiento depende que la pieza no se deforme debido a contracciones irregulares.

Barras expulsoras: al abrir el molde, estas barras expulsan la pieza moldeada fuera de la cavidad, pudiendo a veces contar con la ayuda de un robot para realizar esta operación.

Molde de dos placas

Consiste en dos mitades unidas a las dos placas de la unidad de abrazaderas de la maquina moldeadora. Cuando la unidad de abrazaderas se abre, también lo hacen las dos mitades del molde. El rasgo más notorio del molde es la cavidad, pueden tener más de una cavidad a fin de producir más de una pieza en un solo disparo. Las superficies de separación (o línea de separación) son aquellas donde el molde se abre para retirar la pieza.

Molde con tres partes (o más)

Este diseño de molde tiene ventajas. En primer lugar, el flujo de plástico fundido ocurre a través de una puerta ubicada en la base de la pieza con forma de taza, en vez de en un lado. Esto permite una distribuci6n m6s pareja de fundido en los lados de la taza. En el diseño de puerta lateral del molde de dos placas, el plástico debe fluir alrededor del núcleo y unirse en el lado opuesto, posiblemente con la creaci6n de una debilidad en la línea de soldadura. En segundo lugar, el molde de tres placas permite una operaci6n m6s automática de la maquina moldeadora.

Cuando el molde se abre, se divide en tres placas con dos aberturas entre ellas. Esto fuerza la desconexión de los vaciaderos y las piezas, que caen por gravedad (con la asistencia posible de aire soplado o un brazo robotizado; a diferentes contenedores por debajo del molde.

El bebedero y el vaciador de un molde convencional de dos o tres placas representan un desperdicio de material. En muchos casos se desechan y vuelven a usar; sin embargo en otros, el producto debe hacerse de plástico "virgen" (aquel que no ha sido moldeado antes)'El molde de vaciadero caliente elimina la solidificación del bebedero por medio de la colocación de calentadores y del vaciadero alrededor de los canales correspondientes del vaciadero.

Materiales (polímetros) utilizados para la fabricación de objetos

Plástico es una palabra que deriva del griego "Plastikos" que significa "Capaz de ser Moldeado", sin embargo, esta definición no es suficiente para describir de forma clara a la gran variedad de materiales que así se denominan.

Los plásticos son parte de la gran familia de los Polímeros.

Polímeros es una palabra de origen latín que significa Poli = muchas y meros = partes, de los cuales se derivan también otros productos como los adhesivos, recubrimientos y pinturas.

Termoplásticos

Un termoplástico es un plástico el cual, a temperatura ambiente es plástico o deformable, se derrite a un líquido cuando es calentado y se endurece en un estado vítreo cuando es suficientemente enfriado. Los polímeros termoplásticos difieren de los polímeros termoestables en que después de calentarse y moldearse éstos pueden recalentarse y formar otros objetos, ya que en el caso de los termoestables o termo duros, su forma después de enfriarse no cambia y este prefiere incendiarse.

Sus propiedades físicas cambian gradualmente si se funden y se moldean varias veces.

Cristalinos

Según la velocidad de enfriamiento, puede disminuirse (enfriamiento rápido) o incrementarse (enfriamiento lento) el porcentaje de cristalinidad de un polímero semicristalino.

Al enfriarse, sus cadenas tienden a enlazarse muy ordenadamente por lo que se produce un empaquetamiento muy ordenado. A éste empaquetamiento ordenado se le denomina cristalización.

Amorfos

Son amorfos los plásticos en los que las moléculas no presentan ningún tipo de orden; están dispuestas aleatoriamente sin corresponder a ningún orden. Al no tener orden entre cadenas se crean unos huecos por los que pasa la luz, por esta razón los polímeros amorfos son transparentes

Las cadenas no mantienen ningún orden aparente durante su enfriamiento. Afectará a que las propiedades físicas de unos y otros sean muy diferentes.

Duroplásticos (tiempo en molde suficiente para reticulación).

Los duroplásticos son masas moldeables plásticas endurecibles. Al contrario de los termoplásticos, los duroplásticos, una vez reticulados químicamente de manera irreversible, cuando hayan endurecido, ya no pueden ser convertidos nuevamente en su estado plástico moldeable.

En los últimos años, los duroplásticos, por su buena resistencia -térmica como química- y gracias a su buena relación precio-rendimiento, estabilidad dimensiona, bajo costo, buenas características eléctricasetc. Están ganando terreno. En muchos casos, para sustituir otros materiales, por ejemplo metales, en aplicaciones sofisticadas. Las aplicaciones para piezas del espacio del motor de los vehículos, por ejemplo carcasas de turbocargadores, dan buen ejemplo de ello.

Distinguir entre duroplásticos susceptibles a corrimiento y duroplásticos no susceptibles a corrimiento tiene su lógica.

Elastómeros o cauchos

Los elastómeros se caracterizan por su elevada elasticidad y la capacidad de estiramiento y rebote, recuperando su forma primitiva una vez que se retira la fuerza que los deformaba. Comprenden los cauchos naturales y sintéticos; entre estos últimos se encuentran el neopreno y el polibutadieno. Los elastómeros son materiales de moléculas grandes las cuales después de ser deformadas a temperatura ambiente, recobran en mayor medida su tamaño y geometría al ser liberada la fuerza que los deformó.

Moldeo por transferencia

Maquinaria y proceso

En este proceso se introduce una carga temofija (preformada) a una cámara inmediatamente delante de la cavidad del molde, donde se calienta; después se aplica presión para forzar al polímero suavizado al fluir hacia el molde caliente en el que ocurre la cura. Hay dos variantes del proceso:

Moldeo por transferencia de vasija, en el que la carga se inyecta desde una vasija a través de una canal de mazarota vertical en la cavidad.

Moldeo por transferencia de pistón, en el que la carga se inyecta por medio de un pistón desde un depósito caliente a través de canales laterales hacia la cavidad.

En ambos casos en cada ciclo se generan desperdicios en forma de material sobrante en la base del depósito y los canales laterales llamado desecho. Además, en la transferencia de vasija el bebedero

constituye material que se desperdicia. Debido a que los polímeros son termofijos, los desechos no pueden recuperarse.

El moldeo por transferencia se relaciona de cerca con el de compresión, por que se utiliza con los mismos tipos de polímero (termofijos y elastómeros). También se observan similitudes con el moldeo por inyección, en la forma en que la carga se precalienta en una cámara separada y después se inyecta en el molde. El moldeo por transferencia es capaz de moldear formas de pieza que son mas intrincadas que en el moldeo por compresión, pero no tan complejas como en el moldeo por inyección. El moldeo por transferencia también llega a moldear con inserciones, para lo que se coloca un inserto de metal o cerámica dentro de la cavidad antes de la inyección y el plástico calentado se adhiere a aquel durante el moldeo.

El molde consiste en una cámara llamada un pote, que está separado de pero conectado a las cavidades por medio de canales y entradas. En moldeo por transferencia el molde está cerrado y restringido completamente; así pues todo el material para la inyección de las piezas se carga en el pote. El material es usualmente en forma de pastillas comprimidas y precalentadas llamadas preformas. En el caso de los productos en masa de moldeo el material estará cargado en el pote como un tronco o en masa. Por último, un segundo cilindro empuja el material afuera del pote, por los canales y entradas y en las cavidades. El cilindro está contenido bajo presión y el molde se mantiene cerrado el tiempo suficiente para curar las piezas. (La presión en el cilindro de transferencia debería ser de alrededor 5.5 – 6.9 MPa (800 – 1.000 psi) y la duración de transferencia debería ser desde 3 - 8 segundos.) Esto típicamente significa que las piezas están mantenidas en el molde hasta que puedan ser quitadas sin que se haga una ampolla después de retirarse del molde. La duración de curar es principalmente determinada por la sección transversal más gruesa en la pieza, la temperatura del material cargada en el pote de transferencia y la temperatura del molde.

El ciclo de ambos procesos es el siguiente

Se introduce la carga a la cavidad El polímero suavizado se prensa y cura en la cavidad del molde Se expulsa la pieza

Materiales (polímetros) utilizados para la fabricación de objetos

• Elastómeros

• Termofijos

Son materiales rígidos que tienen una estructura molecular compleja del tipo red, la cual tiene lugar en el proceso de moldeo. Los plásticos llamados termofijos o termoestables son plásticos que una vez moldeados no pueden modificar su forma, y por lo tanto no pueden ser reciclados.

Resinas plásticas y compuestos

Se caracterizan por tener cadenas poliméricas entrecruzadas, formando una resina con una estructura tridimensional que no se funde. Polimerizan irreversiblemente bajo calor o presión formando una masa

rígida y dura. Las uniones cruzadas se pueden obtener mediante agentes que las provoquen, como en el caso de la producción de las resinas epóxicas. Los polímeros termofijos pueden reforzarse para aumentar su calidad, dureza y resistencia a la corrosión.

Ejemplos

Poliuretanos Urea, resinas y melamina Resinas fenólicas Resinas epóxicas Resinas poliéster

Moldeo por soplado

El moldeo por soplado es un proceso en que se utiliza presión del aire para inflar plástico suave dentro de la cavidad de un molde, hacer formas huecas (botellas, recipientes. Es un proceso industrial importante para fabricar piezas de plástico huecas, de una sola pieza y con paredes delgadas, como botellas y contenedores similares. Debido a que muchos de esos artículos se utilizan para bebidas para el consumidor destinadas a mercados masivos, su producción está organizada para cantidades muy grandes. La tecnología proviene de la industria del vidrio con la que los plásticos compiten en el mercado de las botellas desechables y reciclables.

Maquinaria y proceso

El moldeo por soplado se lleva a cabo en dos etapas:

1) fabricación de un tubo de inicio de plástico fundido, llamado parison (igual que en el soplado de vidrio)

2) inflación del tubo hasta que adquiere la forma final que desea.El formado del parison se lleva a cabo por cualquiera de los dos procesos: 1) extrusión 2) moldeo por inyección.

El molde para el proceso de moldeo por soplado es similar al del moldeo por inyección, pero requiere una fuerza de cierre mucho menor, además requiere de entrada de aire para inflar el párison extrudido en forma de tubo. El molde consiste en dos partes que al cerrarse encierran el párison, este tubo al inflarse toma la forma del molde y queda estable la forma al enfriarse el material.. Cabe señalar que la diferencia en costos entre moldes de inyección y moldes de soplado es muy alta llegando a tener una diferencia entre 4 veces más alta, es decir los moldes de inyección son más caros, dependiendo de las partes y los tamaños.

Moldeo por soplado y extrusión

Esta variante del moldeo por soplado funciona según el ciclo ilustrado en la figura. En la mayoría de los casos el proceso se diseña como una operación de producción a muy alta velocidad. La secuencia está automatizada y usualmente integrada con operaciones posteriores como el llenado de los envases y el etiquetado.

Es un requerimiento usual que el recipiente soplado sea rígido y la rigidez depende entre otros factores del espesor de las paredes. Podemos relacionar el espesor de las paredes del envase soplado con el parison extruido inicial, asumiendo una forma cilíndrica para el producto final.

Etapas del proceso:

1) Moldeo por inyección de preformas. En el caso de botellas, incluyen la boca. Enfriamiento muy rápido para evitar cristalización de grandes esferulitas.

2) Soplado dentro de molde definitivo. La boquilla de soplado puede actuar como pistón

Moldeo por inyección y soplado

En este proceso el paríson inicial se moldea por inyección en lugar de extrusión. Comparado con su competidor basado en extrusión, el moldeo por inyección y soplado tiene Una velocidad de producción más baja lo cual explica por qué no es tan ampliamente usado.

En una variante del moldeo por inyección y soplado, llamado moldeo por extensión y soplado el tubo de soplado se extiende hacia abajo dentro del parison moldeado por Inyección, el plástico suave se alarga y se crea un esfuerzo más favorable en el polímero, que en el moldeo por inyección y soplado convencional, o que en el moldeo por extrusión y soplado. La estructura resultante es más rígida, con mayor transparencia y mayor resistencia al impacto. El material que se usa más ampliamente en el moldeo por extensión y soplado es el tereftalato de polietileno, TPE (en inglés PET), un poliéster que tiene una permeabilidad muy baja y se fortalece por el proceso de moldeado por extensión y soplado. Su combinación de propiedades lo hace ideal para envase de bebidas carbonatadas.

El moldeo por soplado se limita a los termoplásticos. El polímero más común para moldeo por soplado es el polietileno, en particular, el de alta densidad y alto peso molecular, PEAD y PEAPM (en inglés HDPE y HMWPE, respectivamente). Al comparar sus propiedades con las del polietileno de baja densidad, y además los requerimientos establecidos de rigidez del producto final, resulta más económico usar estos materiales que si bien son más costosos porque las paredes del recipiente pueden hacerse más delgadas. Se hacen otras piezas por soplado de polipropileno (PP), cloruro de polivinilo (PVC), y

tereftalato de polietileno (PET). Los envases desechables para envasar líquidos de consumo constituyen la mayor parte de los productos hechos por soplado; pero no son los únicos. También se fabrican grandes tambores para embarcar líquidos y polvos (cuya capacidad alcanza los 250 litros), grandes tanques de almacenamiento (con capacidad para 9000 litros), tanques para gasolina de automóviles juguetes y cascos para veleros y botes pequeños. En este último caso, se hacen dos cascos de bote en un solo molde de soplado y después se cortan en dos cascos abiertos.

Ejemplos de aplicaciones de moldeo por soplado:

Botellas de leche Botellas farmacéuticas Botellas para anticongelante Botellas para polipropileno Sillas Hieleras y coolers Botes de basura Tambores Tanques de gasolina