10 desafíos en el control de temperatura en inyección

Estrategias para solucionar problemas comunes en el atemperamiento de moldes de inyección.

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Los moldes de inyección para plásticos están equipados con canales de refrigeración internos, que aceptan un flujo constante de refrigerante en circulación (generalmente agua) a una temperatura establecida, bombeado desde una unidad de control de temperatura (TCU en inglés). Este flujo de refrigerante saliente sirve como medio para la transferencia de calor y es vital para mantener una temperatura constante en las superficies internas de las herramientas.

Entonces, cuando una inyección o “shot” de plástico caliente ingresa a la herramienta, el enfriamiento por agua atempera primero el molde para que no se sobrecaliente a medida que el material caliente toma forma. Luego, extrae el exceso de calor, enfriando la herramienta y el plástico para que pueda endurecerse en una forma terminada.

El agua tibia que “retorna” luego se lleva a un sistema de enfriamiento o torre de enfriamiento, que elimina el calor del agua antes de recircularla a través de la TCU y el molde una vez más.

La teoría es bastante simple, ¿verdad? El enfriamiento del molde puede resultar más complicado en la práctica. Por lo tanto, los procesadores de plásticos enfrentan a menudo los siguientes desafíos relacionados con el enfriamiento:

 

1. Uso de temperaturas de molde y velocidades de enfriamiento incorrectas

Las temperaturas y velocidades de enfriamiento difieren ampliamente entre varios materiales poliméricos. Por lo tanto, es importante que el agua de enfriamiento, y la superficie del molde que recibe el material caliente, alcancen la temperatura "objetivo" correcta para garantizar que la resina fluya hacia las herramientas correctamente y que las piezas se enfríen a la velocidad adecuada y se endurezcan con las cualidades adecuadas.

Entonces, por ejemplo, si está trabajando con materiales semicristalinos como PEEK o nylon, que tienen temperaturas de procesamiento relativamente altas no puede simplemente enfriarlos con agua fría a través del molde. En su lugar, debe atemperarlos más gradualmente, usando un medio refrigerante más caliente; una velocidad de enfriamiento más lenta es esencial para permitir formación constante de cristales en toda la pieza.

 

2. Flujo inadecuado

Mantener la temperatura adecuada del molde durante el procesamiento comienza con el refrigerante a la temperatura correcta, pero también involucra otros factores. El agua de enfriamiento también debe fluir a una tasa adecuada (gpm) y con suficiente presión para garantizar el grado adecuado de turbulencia. La tasa de flujo de refrigerante se basa en la cantidad de energía térmica que debe retirarse, la tasa de transferencia de calor de una unidad de agua y el tamaño del canal de refrigeración.

 

3. Turbulencia inadecuada

Asegurar el grado adecuado de turbulencia en el flujo de refrigerante es un poco más desafiante. Básicamente, un flujo turbulento obliga a una mayor cantidad de agua de enfriamiento a “tocar” la superficie del canal de enfriamiento del molde, maximizando así su transferencia de calor. Un flujo de refrigerante con muy poca turbulencia puede volverse "laminar", lo que significa que la porción de agua que está en contacto con la superficie del canal del molde no cambia. Los flujos laminares aíslan el agua en el centro del canal, evitando que entre en contacto con el molde y desperdiciando así su potencial de transferencia de calor.

Puede calcular la turbulencia de un flujo de refrigerante con un cálculo del número de Reynolds (Re).El objetivo es entregar un flujo de refrigerante con un Re entre 4000, el valor umbral para el flujo turbulento, y 8000, que es un alto grado de turbulencia. La bomba de circulación en su TCU o sistema de enfriamiento es la clave para generar tanto flujo como turbulencia.

 

4. Problemas de diseño de moldes

Si sus cálculos muestran que está proporcionando el flujo y la turbulencia adecuados para su aplicación, pero no obtiene los resultados de enfriamiento que espera, es posible que el diseño de las herramientas sea deficiente. Hay una variedad de causas, como muy pocos canales en el molde o la herramienta, canales que tienen un diámetro demasiado pequeño, canales que se construyen demasiado lejos de la superficie en contacto con el plástico caliente, canales que no reciben suficiente refrigerante debido a problemas de diseño o flujo o canales que se han obstruido o estrechado por la acumulación de minerales.

 

5. Colectores de flujo desbalanceados

La mejor manera de hacer circular el refrigerante a través de una herramienta es enviarlo uniformemente desde un colector "equilibrado" en el lado del flujo de entrada, a través del molde, hasta un colector de salida en el otro. Idealmente, el refrigerante debe pasar una sola vez a través de la herramienta, con un distribuidor balanceado que garantice tasas de flujo similares a través de canales de tamaño similar que eliminen cantidades similares de calor.

Sin embargo, no siempre es posible lograr los flujos ideales, por lo que pueden surgir desequilibrios de presión, transferencia de calor y temperatura. Por ejemplo:

Si los canales de enfriamiento varían en longitud, entonces el flujo de refrigerante a través de ellos variará, y los canales de flujo más cortos/libres tenderán a robar refrigerante de los canales más largos, que tienen una contrapresión más alta. Para remediar esto, es esencial equilibrar el flujo del colector de refrigerante entrante, utilizando válvulas que dirijan el flujo agregado a los canales más complejos para que puedan mantener una transferencia de calor adecuada.

 

6. Incapacidad para "mantener" temperaturas constantes del molde

Supongamos que tiene un equipo que ha brindado un buen control de temperatura en el pasado, pero, por alguna razón, simplemente no puede mantener una temperatura constante. Usted encuentra que las temperaturas de las herramientas siguen subiendo. Es muy posible que haya agregado algo de carga de enfriamiento a sus sistemas, tal vez una o dos máquinas adicionales. Si es así, necesitará más capacidad de enfriamiento para hacer frente a esta situación.

 

7. Moldes “con fugas”

Otra razón por la que no se pueden mantener las temperaturas es una herramienta que tiene fugas internas de agua. Las fugas no solo pueden reducir la eficiencia del enfriamiento, sino que también pueden causar problemas de calidad en las piezas, como "marcas de agua". Estos ocurren cuando el agua se filtra a través de grietas en el acero hacia la superficie de la herramienta, donde entra en contacto con el plástico caliente. La solución ideal para un molde con fugas es volver a trabajar la superficie, soldando y reparando las grietas antes de su uso.

Sin embargo, si esa opción no es práctica, también puede intentar aislar el circuito con fugas y luego ejecutarlo con presión "negativa". Es decir, lo conecta a una TCU equipada con una bomba de presión negativa, que hala, en lugar de empujar, el agua de refrigeración. Estas TCU (por ejemplo, los modelos Conair VacuTrac) están equipadas con válvulas especiales que le permiten "marcar" la succión suficiente para resolver las fugas de molde sin introducir un exceso de aire en las líneas de su sistema de enfriamiento.

 

8. Equipamiento fuera de fase

Debido a que los procesadores de plásticos tienen una gran cantidad de equipos pesados que funcionan con energía trifásica, no es raro que un error de cableado resulte en algunos equipos que funcionan fuera de fase. Si encuentra un problema de enfriamiento repentino, asegúrese de verificar que no se deba a un error de cableado relativamente simple.

 

9. Problemas de incrustaciones de agua

El agua es un medio barato y muy eficaz para la transferencia de calor. Sin embargo, el agua limpia ordinaria está cargada de minerales como hierro, azufre y calcio que resultan muy atraídos por las superficies cálidas como el interior de los canales del molde, las áreas de flujo de transición alrededor de los burbujeadores o deflectores, o incluso el elemento calefactor de una TCU. Cuando los minerales se “pegan” en estas superficies, forman depósitos llamados “incrustaciones”. Y, si se permite que se acumulen incrustaciones, puede actuar como un aislante que reduce la transferencia de calor, por lo que, con el tiempo, los moldes no se enfriarán tan rápido y la eficiencia de los equipos de transferencia de calor, como las TCU o los enfriadores, se reducirá gradualmente.

Los problemas de incrustaciones generalmente se reducen cuando un sistema de refrigeración tiene un circuito "cerrado", ya que estos circuitos no pierden/reemplazan mucha agua y, por lo tanto, el contenido mineral no cambia mucho con el tiempo.

En mi experiencia, las mejores organizaciones prueban los flujos de refrigerante del molde a intervalos regulares, conectando los moldes a las herramientas de medición de flujo/bombeo cuando los moldes entran y salen de servicio. Al comparar los flujos de refrigerante antes y después del uso del molde, estas pruebas pueden indicar la necesidad de una desincrustación/desmineralización química antes del futuro uso del molde.

 

10. Otros problemas de calidad del agua

Desafortunadamente, las incrustaciones no son el único problema de calidad del agua que enfrentan los procesadores. Cualquier sistema de agua, ya sea de circuito abierto o cerrado, puede ser vulnerable a otros problemas de calidad del agua. Por lo tanto, revise periódicamente su sistema de agua de enfriamiento para asegurarse de que mantenga el color/claridad adecuados y que no tenga olores, acumulaciones de incrustaciones o contenido bacteriano significativo.