Enfriamiento Del Molde

8/13/2019 Enfriamiento Del Molde

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Dentro de las etapas de fabricación de los moldes de inyec-ción el diseño es sin duda uno de los aspectos más relevan-tes, sino el más. La correcta planeación del molde ayuda aahorrar dinero y posibilita una mayor efectividad y vida útilde la herramienta. Cada centavo bien gastado en la planifi-

cación previa puede ahorrar cientos o miles de pesos en laproducción.

La premisa es lograr el mayor rendimiento del molde conel fin de obtener el menor costo posible por pieza plásticafabricada, en este caso cualquier estrategia que pueda dis-minuir los costos, sin sacrificar calidad del producto, deberíaconsiderarse.

Cuando de obtener ahorros en la inyección de plásticos setrata, hay que recordar una regla muy simple: el tiempo delciclo de moldeo está repartido entre 5 y 20 por ciento a la

Foto: www.themoldingblog.com

Diseño de la Refrigeración enMoldes de Inyección:En Busca de una Fabricación Rentable

Julio César Sabogal*

El enfriamiento

puededeterminarhasta el 85%del ciclo demoldeo.

El moldeo por inyecciónde plástico es uno de los

procesos más difundidos para fabricar producciones

en serie de piezascomplejas, en períodos detiempo cortos y a costosrentables. Actualmente,es un negocio que muevemiles de millones dedólares a nivel mundial y

jalona diversos sectoreseconómicos, entre otrosla industria de los moldes

para inyección.



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PROCESOS

acción de inyección; entre 50 y 85 porciento al enfriamiento y entre 5 y 30por ciento a la expulsión de la piezaterminada, según los requerimientosde producción, el producto a fabricary los parámetros del proceso.

Queda claro entonces que el adecua-do diseño y fabricación del sistema deatemperado del molde juega un papelfundamental en la inyección de plásti-cos y su rentabilidad, ya que un siste-ma de enfriamiento deficiente generauna distribución despareja de la tem-peratura, lo que a su vez, puede oca-sionar bajo rendimiento de la produc-tividad y riesgo de fatiga térmica enel acero del molde, además de innu-merables problemas de calidad, talescomo tensiones residuales, fragilidad,deformaciones de la pieza y muchas

otras discontinuidades.

Si el molde está muy caliente, la piezarequerirá mucho tiempo para solidifi-car y ser extraída, lo que consumirá de-masiado tiempo del ciclo de inyeccióny reducirá la productividad. Si el moldeestá muy frío, el plástico fundido (ca-liente) solidificará prematuramentedurante su trayecto, lo que causa unmal llenado y otros posibles resultadosindeseables. Idealmente, se busca unenfriamiento uniforme y eficiente quegarantice la calidad del producto, re-duciendo al máximo el tiempo de cicloy el costo total.

En el proceso de solidificación, queocurre inmediatamente después dehaberse inyectado el plástico calienteen el molde de inyección, intervienenuna serie de factores que determinanla rapidez con la que se genera un alto

o bajo coeficiente de transferencia decalor y la rapidez con la que puede serexpulsada la pieza del molde.

Estos factores son:

• Plástico a inyectar : Según el tipode resina y sus características, en-tre otras la fluidez y propiedad decontracción, se diseña el sistema derefrigeración del molde. (Ver algu-nas propiedades de los plásticos atener en cuenta a la hora de inyec-tarlos. Tabla 1).

Es importante considerar que la mayortransferencia de temperatura que reci-be el molde y sus partes, una vez inyec-tado el plástico, empieza al inicio dela etapa de inyección y plastificación,y termina en el momento del nuevociclo, en la apertura del molde y laexpulsión de la pieza. Por ello, habráque elegir un sistema de atemperadoque logre refrigerar, con precisión, laszonas más calientes dejadas por el ma-terial a su paso.

• Aceros o materiales utilizados en la

fabricación del molde: El diseñadortambién debe tomar en cuenta los

materiales con los cuales se fabrica-rá el molde de inyección, ya que alestar sometidos a cambios de tem-peratura serán afectados de igualmanera en sus dimensiones, segúnsus propiedades tiene diferencias

en la transferencia térmica, y portanto en el tiempo para expulsar lapieza del molde.

• Espesor de la pieza: Se determinancon base en el espesor de la piezao producto final.

Proceso de inyección de plásticoy su refrigeración

En el proceso de inyección, el material plástico

es introducido en el molde a una temperatura de

entre 150 °C a 300 °C, según del tipo de resina

plástica utilizada, al contacto con las paredes el

plástico transmite parte de este calor al molde,

(lo cual se debe equilibrar con un sistema de

atemperamiento) hasta disminuir a una tempe-

ratura llamada de desmoldeo que varía según la

pieza y el proceso entre) (40 - 120º).

Aunque, el molde disipa parte del calor al con-

tacto con las placas de la máquina y la ventila-

ción del medio ambiente, esta disipación es me-

nor que el aporte recibido del plástico, por ello

es necesario atemperar el molde utilizando un

sistema de refrigeración, el cual consiste en una

serie de canales internos que atraviesan las pla-

cas, cavidades, machos y otros componentes,

para lograr un correcto y eciente enfriamiento.El proceso de refrigeración en la inyección de

plásticos es simple: El agua es enfriada y bom-

beada a través de una tubería hacía la máquina

y el molde desde una torre de enfriamiento o

un chiller, según el tipo de inyectora. General-

mente, el refrigerante llega desde el chiller al

controlador de temperatura, el cual cumple dos

funciones: mantener la temperatura constante

del agua y presionar el líquido a través de los

conductos internos del molde, gracias una bom-

ba interna.

La forma en que la tubería llega desde el contro-

lador hasta el molde, varia un poco dependiendo

del molde y las practicas que siga cada procesa-

dor de plástico, pero por lo general se instala un

manifold o distribuidor múltiple, cerca del molde

a donde llega la línea de agua fría, y desde allí

derivan varias mangueras que son conectadas a

cada una de las entradas del molde y que deben

estar identicadas claramente como entradas y

con el circuito correspondiente. Después de cir-

cular a través del molde, el agua pasa a la línea

de salida o a otro manifold y regresa al sistema

para ser atemperada nuevamente.

Tabla.1 Valores de contenido de calor para algunos termoplásticos

MaterialTemp

Fundido (°C)

Tempe Molde

(°C)ΔT

Calor específco

Jkg -1 K-1

Calor a

remover

CA 210 50 160 1700 272

PET 240 60 180 1570 283

PMME 240 60 180 1900 242

PC 300 90 115 3000 345

ABS 240 60 180 1968 364

PS 220 20 200 1970 394

PA 6 250 80 170 3060 520

PA 66 280 80 200 3075 615

LDPE 210 30 180 3180 572

HDPE 240 20 220 3640 801

PP 240 50 190 2790 670

Valores de cantidad de calor a remover por unidad de masa (J/g) para algunos materiales, según tempe-

raturas de procesamiento y del molde típicas para cada material.

Fuente: Facultad de Ingenieria Mecánica. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.



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• Medio refrigerante: Como no to-dos los polímeros se transformana la misma temperatura, existenmoldes que trabajan a diferentestemperaturas y, según éstos, seemplea uno u otro líquido atem-perador, generalmente se utilizandos tipos de refrigerante: aguatratada o aceite diatérmico, tam-bién algunos procesos requieren

una mezcla de agua/alcohol. En losmoldes que trabajan entre 15ºC y60ºC se usa normalmente agua yla ayuda de unidades de controlde temperatura también llamados“atemperadores” y equipos de re-frigeración (chillers, torres de en-friamiento, etc), mientras que losque están entre 60ºC y 90ºC usangeneralmente aceite y la ayuda deequipos de calentamiento o tam-bién “atemperadores”.

• Diseño de canales de enfriamientoen cavidades y machos: Los circui-tos de refrigeración se diseñan pa-ralelos, en serie o independientes,se mecanizan por diferentes pro-cesos, tales como taladrado y elec-troerosión, entre otros, y a estos seles colocan tabiques, bafles o inser-tos, para direccionar y crear turbu-lencia en el fluido atemperante. Eldiseño de los canales es complejoy específico para cada pieza y mol-de; cada parte del molde debe ser

enfriada a la misma velocidad, locual a menudo implica un atempe-rado por secciones del molde.

Es decir, pueden refrigerarse conagua fría las partes internas delmolde, sobre todo en machos, ca-vidades y cerca de la entrada delmaterial, y con agua a temperaturaambiente las partes externas, paralograr así un enfriamiento más ho-mogéneo, principalmente, en pie-zas gruesas con largos recorridos yen piezas con tolerancia dimensio-nal limitada.

En general, para los moldes mássencillos se utilizan dos circuitosseparados para las dos mitades delmolde: la hembra y el macho. Sin

embargo, para moldes grandes ocomplejos, no son suficientes doscircuitos de enfriamiento. Al in-dependizar los circuitos se puederegular el flujo del líquido quecircula sobre la parte del molde

que tiende a sobrecalentarse más(áreas cercanas a la pieza).

Todo esto en vista de que la refri-geración debe ser lo más homo-génea posible en todos los com-ponentes del molde, con el fin deevitar los efectos de contraccionesdiferenciales.

La distribución y el balanceo de latemperatura se obtienen a través decomplicadas ecuaciones relaciona-das con el intercambio de calor en-tre el material plástico fundido, que

se inyecta en el molde, y el líquidode enfriamiento que mantiene laherramienta atemperada. De formasucinta, se puede decir que la idea esdeterminar cuánta temperatura esnecesario reducir y en cuánto tiem-po. Actualmente, la industria cuen-ta con avanzados software para eldiseño de moldes, los cuales inclu-yen análisis de la temperatura bajoecuaciones con elementos finitos.

Básicamente hay dos tipos dedistribución de canales: en serie oen paralelo, o una mezcla de am-

bos. Los dos tipos de conexión decanales tienen sus ventajas e incon-venientes, tal y como se muestra enlas figuras 2 y 3. Los circuitos conec-tados en serie, por ejemplo, garan-tizan las mismas condiciones paratodos los canales con un riesgo deobturación reducido, ofreciendouna elevada seguridad de proceso.

Distribución en serie Distribución en paralelo

Circuitos conectados en serie. Las ventajas principa-

les de este diseño son el bajo riesgo de obturación, la

elevada seguridad de proceso y el fácil conexionado.

Circuitos conectados en paralelo

con baja pérdida de presión y reducidas

diferencias térmicas.

Fuente: www.interempresas.net

Ciclo de Inyección

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Figura 2 Figura 3



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La importancia del diseño de moldes

Una vez se ha decidido crear un nuevo producto y antes de comenzar a

diseñar el molde, en el que se inyectará la resina plástica para conformar

la pieza nal, es necesario estudiar todas las variables que intervienen enel proceso y que se pueden resumir someramente así: piezas o producto

a inyectar, material a inyectar, mecanizado de componentes del molde e

inyectora. Cada una de las cuales, en sí misma, implica múltiples detalles

de análisis y desarrollo.

El reto de los diseñadores y fabricantes de moldes de inyección implica

la integración de todas las variables y etapas del proceso en una gestión

interdisciplinaria para conseguir la mejor herramienta. Entre otros desafíos

el proyectista debe comprender los requerimientos del cliente, realizar un

prediseño y generar información clara y completa para la manufactura del

molde.

Las actividades del diseñador incluyen: el análisis de los materiales y com-

ponentes para la fabricación del molde, elegir el sistema de llenado, nú-

mero de cavidades y puntos de inyección, (realizar el diseño del sistema

de refrigeración y atemperamiento, seleccionar el mejor y más adecuadosistema de cierre, sistema de expulsión, mecanismos o sistemas adiciona-

les si son requeridos por la herramienta, y la escogencia de componentes

estándar (portamolde, expulsores, centradores, guías, acoples), entre otros

parámetros.

Este trabajo para nada es sencillo y es tarea del diseñador conocer los por-

menores de cada variable, la mayoría de problemas, de uso y fabricación,

en los moldes pueden evitarse si el proyectista prevé, al detalle, los reque-

rimientos de fabricación y, sobre todo, comprende qué procesos afectarán

la herramienta en la producción.

Los principales factores que influyen en elenfriamiento de la pieza, y por lo tanto en elciclo de fabricación son: El espesor de pared y latemperatura del molde. El espesor de pared de la

pieza y material, todo ello tiene que ser estudiadoantes del diseño y fabricación del molde.

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Por su parte, aunque ofrecen unaexcelente distribución de la refri-geración, si los circuitos de atem-peración se conectan en paralelo,incluso las más mínimas variacionesdel caudal de los distintos canales

pueden afectar a la temperaturade la cavidad y causar problemasde calidad en la pieza de inyección.

Los circuitos en serie y paralelo ofrecenalgunas limitantes y por ello en mu-chas ocasiones es necesario diseñar larefrigeración con otro tipo de sistemao distribución. Los siguientes son lostipos de sistemas de refrigeración másconocidos para moldes de inyección:

- Circuito de perforaciones: Son losclásicos taladrados que se unen enserie o en paralelo.

- Circuito de canal fresado: En unapieza profunda se hace imposibletaladrar, por ello es necesario fre-sar y taponar partes claves del cir-cuito para que la refrigeración lle-gue a los lugares indicados.

- Circuito tipo fuente o cascada: Eneste sistema el refrigerante, habi-tualmente, ingresa por el centrodel molde (placa) y se distribuyecomo una cascada a lo largo de lapieza a refrigerar.

- Circuitos con bafles o tabiques: Enocasiones es necesario interrum-pir el flujo de refrigerante usandobarreras denominadas bafles o ta-biques, con el fin de redireccionary guiar los líquidos hacía las áreasmás calientes.

- Circuitos con insertos y serpentines:Los insertos y serpentines direccio-nan el flujo de una forma específi-ca o se colocan cuando se necesitaaumentar la turbulencia, lo cual nopodría lograrse de otra forma, a di-ferencia de las barreras tipo baflesgeneralmente se usan en machos ycavidades.

Otro objetivo fundamental al elegir laforma y distribución de los circuitos derefrigeración, es lograr crear la mayorturbulencia posible en el líquido atem-perador con el fin de romper la direc-ción laminar natural del líquido por latubería. En síntesis, todos los fluidos

que se hacen pasar a través de conduc-tos, tienden a circular en dirección rec-ta con mayor velocidad hacia el centro,mientras, en las paredes del conductola velocidad es menor. Para lograr ho-mogeneidad en la temperatura, a lolargo del circuito, se recomienda crearturbulencia, la cual ayuda a mejorar latransferencia térmica entre el fluido y

el material de molde.

Recomendaciones para unCorrecto Atemperado

• Diseñe moldes con la temperaturaal mínimo. Si puede, disminuya latemperatura del molde. Todos losprofesionales de producción men-cionan problemas de moldeado enlas cuales se encuentran operacio-nes con temperaturas de molde su-periores a las necesitadas para al-

canzar buenas propiedades físicas.Los industriales caen en la cuentade la necesidad de trabajar conmoldes más fríos con frecuenciadespués de haberlos diseñados yconstruidos. Una forma de hacer elanálisis de operación de un moldemás frío puede ser empleando unprograma computarizado de simu-lación de llenado de molde, porelementos finitos.

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Molde de inyecciónen funcionamiento

y simulación de

las condicionestérmicas queafectan la pieza yla herramienta, se

pueden apreciarlas áreas de mayortemperatura entonos rojos yel efecto de larefrigeración.

F o t o : n e w s . t h o m a s n e t . c o m

Simulación del enfriamiento deun molde de inyección, en el cual

se puede apreciar la direccióndel líquido atemperante enconcordancia con la forma de la

pieza. Son notorias las áreas calientedistinguidas por los tonos rojos.



3PROCESOS

• Diseñe el sistema de refrigeración lo más cerca técnica-mente posible de la pieza. Es importante comprenderque en la inyección de plásticos hay transferencia decalor desde la pieza hacia el molde y desde éste al sis-tema de enfriamiento, durante todo el ciclo, exceptodurante los tiempos de apertura del molde, expulsión,

cerramiento y unidad de inyección adelante. Por esta ra-zón es indispensable mantener los tiempos en el mínimovalor, de tal forma el sistema de enfriamiento se utilicepara atemperar la pieza moldeada y no sólo el molde.Cuando únicamente se refrigera el molde, se requieremayor presión y temperatura de la masa fundida parapoderlo llenar y esto va en contra de la productividady del uso racional de la energía. Asegúrese de que laslíneas de agua estén lo más cerca posible de las áreasdonde hay mayor concentración de calor.

• Tenga en cuenta el material a inyectar: Cuando proceseresinas amorfas experimente con moldes más fríos. Losusuarios de resinas cristalinas, por otro lado, deben sa-ber que pueden reducir la cristalinidad y las propiedadesde los productos, si se baja demasiado la temperaturadel molde. Por ejemplo, el nylon que trabaja entre 50ºCy 60ºC, pero hay casos en que los industriales operanmoldes más fríos, si la salida de cristalinidad no se con-vierte en un problema.

Las nuevas poliolefinas plastoméricas y elastoméricafabricadas con catalizadores de metaloceno, se proce-san bien a temperaturas más bajas que las usuales. Unmolde frío puede recortar en estos casos de 25 a 30 porciento el tiempo del ciclo. La temperatura del moldedebe mantenerse en 10ºC, tanto en el centro como en la

pared de la cavidad; en lugar de 30ºC, que es lo aconsejable en los polietilenos estándar.

• Asegúrese de tener una velocidad del medio de en-friamiento lo suficientemente alta dentro del molde.El coeficiente de transferencia de calor puede ser de10 a 20 veces mayor cuando la velocidad del medio deenfriamiento es lo suficientemente alta como para ge-nerar un patrón de flujo turbulento en lugar de unolaminar.

La velocidad requerida para alcanzar flujo turbulento esuna función del diámetro del canal y la viscosidad delmedio de enfriamiento. Debido a que los aditivos anti-congelantes tienden a elevar la viscosidad del agua fría,puede ser contraproducente operar el molde a una tem-peratura más baja a cambio de una velocidad menor.Los proveedores de equipos de enfriamiento puedenayudar a determinar si la instalación cuenta con una ca-pacidad de bombeo suficiente.



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• Asegúrese de que el molde recibasuficiente flujo del medio de en-friamiento y de que esté dirigido alos puntos correctos. Un error co-

mún es sobre-enfriar una secciónde pared delgada cuando no hayagua en la dirección de una secciónpesada.

• No olvide llevar agua a las barrascorredizas, elevadores, patines oa cualquier otra área del moldeque entre en contacto con la resi-na fundida. Es un descuido dejarsin enfriamiento áreas del canal deflujo de la resina.

• Es mejor hacer agujeros grandes enlas placas de desviación. Existe latendencia a perforar las placas dedesviación con agujeros del mismodiámetro que los canales de flujo.Este arreglo lleva a una pérdida depresión y una menor capacidad deenfriamiento. Una buena regla ge-neral es hacer los agujeros de lasplacas de desviación 40 por cientomás grandes que los canales paralograr el mismo flujo a través detodo el sistema.

• Haga un tratamiento al agua paraprevenir la formación de depósitosde carbonatos en los moldes y el sis-tema de enfriamiento. Con sólo un

espesor de 0.002 milímetros de de-pósitos, en los conductos del moldese puede disminuir la eficiencia deenfriamiento en un 30 por ciento.

• Considere el uso de enfriamientopor pulsos, que pueden intercam-biar rápidamente entre los ciclos decalentamiento y enfriamiento. Lossistemas de enfriamiento por pulsosofrecen la mejor solución cuandode reducción del tiempo del ciclose trata: es posible extraer el calormás rápidamente. Trate de utilizar

controles de temperaturas retroin-formados en el enfriamiento delmolde; generalmente el control serealiza con flujometros que ajustanun pasaje de agua, pero si tuvieraalguna fluctuación de flujo o pre-sión el enfriamiento cambiará, pro-vocando la intervención constantedel operador en la máquina.

• Para un mejor enfriamiento, reem-place las partes de acero con alea-

ciones por mayor conductividadde calor. Ahora las aleaciones decobre berilio forjadas, son suscepti-bles de ser maquinadas y ofrecen lamisma dureza que otros materia-les, al tiempo que su conductividad

térmica es de cinco veces superior.

Tecnologías avanzadas de enfria-miento y aleaciones con conduc-tividades elevadas proporcionanmayores beneficios si se empleanconjuntamente. Combine enfria-miento por pulsos con insertosde cobre berilio, y contará con unmolde muy productivo.

• Es común que diseñadores inexper-tos omitan la identificación de lasentradas y salidas del refrigerantey supongan que el operario de la

prensa conoce de antemano dichainformación. El diseñador casi nun-ca participa en las pruebas de laherramienta y por esto es indispen-sable entregar los planos y dibujoscompletos del sistema de refrigera-ción del molde al cliente. Además,es aconsejable diseñar los conecto-res o racores de entrada dentro delas placas del molde y no fuera deéstas, ya que es riesgoso que en eltransporte o montaje de la herra-mienta sufran daños o incluso sefracturen.

• No olvide que el diseño de la refri-geración debe permitir fácil man-tenimiento y limpieza de los circui-tos internos del molde.

Autor

* Julio César Sabogal. Gerente General Tallery Proyectos. Diseñador y experto en moldes,útiles y herramientas. Asesor de procesos deinyección de plasticos, diseño de producto yherramental. [email protected]

Fuentes

• CATANIA. S. Victor. 50 formas de recortar eltiempo del ciclo de inyección. Consultadoen http://st-1.com.ar/info/50_formas.pdf el15 de enero de 2013.

• Sistema de inyección con colada calienteaplicado en la industria del plástico como he-rramienta de competitividad. Tesis realizadapor los ingenieros, Daniel Gutiérrez García yCristian Alberto Oñate Longoni. UniversidadAutónoma del Estado de Hidalgo.

El período de enfriamiento efectivo en la pieza está comprendidodesde que se llena la pieza (empieza la compactación) hasta que

se desmoldea la pieza. Para lograr ciclos productivos y eficientes esimportante el correcto atemperamiento.

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