Ahorre tiempo con el moldeo por inyección de espumas (FIM)

Introducción
El moldeo por inyección es un proceso establecido, que resurgió debido a los más recientes desarrollos en el campo del procesamiento de fluidos de soplado físicos. Sin importar qué tipo de agente soplante se utiliza, se pueden lograr mejoras en las propiedades de las piezas así como ventajas en los procesos de producción. Algunas de las ventajas que se alcanzan con el uso de agentes soplantes son la disminución de la contracción de las piezas, menos arrugas y la reducción de marcas de hundimiento en los productos. Además de estos hechos, que permiten tener una producción con tolerancias más estrechas, en muchos casos el tiempo empleado en un ciclo de producción se puede disminuir notablemente. Por esta razón, las ventajas económicas son palpables al utilizar este proceso.

Fluidos de soplado
El uso de fluidos de soplado físicos (PBF), generalmente permite alcanzar mayores grados de espumado y por lo tanto, una menor densidad de las piezas, al ser comparadas con agentes soplantes químicos. En la pieza no quedan depósitos o residuos sólidos, lo que significa que el rango de aplicación de piezas sopladas con agentes físicos también incluye el empaque de alimentos y productos farmacéuticos.

Las ventajas del nitrógeno y el dióxido de carbono, al compararlos con otros agentes soplantes físicos (por ejemplo el pentano), es que no son inflamables y no son tóxicos. Sin embargo el procesamiento de PBFs también implica mayores esfuerzos a nivel de maquinaria y control de procesos. Además, los agentes de soplado químicos tienden generar mejores acabados superficiales en las piezas, ya que cuentan con una gran experiencia técnica y tienen agentes nucleantes incluidos en su formulación.

La tecnología de procesamiento
En un proceso de moldeo por inyección de espuma, que emplea fluidos soplantes físicos, la preparación del sistema PBF/fundido es de vital importancia. Una cantidad suficiente de fluido se debe disolver suavemente en el fundido, y el sistema generado se debe homogenizar con la ayuda de temperatura. Basados en desarrollos recientes e investigaciones pasadas, realizadas en el Instituto de Procesamiento de Plástico (IKV), se ha desarrollado un nuevo concepto para la inyección del agente soplante físico. Se trata de una boquilla especial diseñada para ubicarse entre la unidad de plastificación y la boquilla de disparo de una máquina de inyección convencional. Este proceso se presentó por primera vez en el Coloquio IKV 2000 y está licenciado por Sulzer Chemtech AG, Winterthur (Suiza).

Para alcanzar una relación alta entre el área superficial y el volumen se seleccionó un dado en forma de anillo. Un torpedo se instala en el centro del canal de fluido del fundido (Figura 1). Tanto la superficie exterior del canal de fluido del fundido como la del torpedo están hechas de un metal sinterizado, poroso y permeable. Este concepto requiere de una unidad de medida del fluido muy precisa, que sea capaz de garantizar un flujo constante a alta presión. El fluido soplante se inyecta al fundido a través de los poros de la manga exterior e interior del metal sinterizado. Para evitar que las partes hechas de metal sinterizado fallen por la alta presión, se utilizan soportes para estabilización.

La ventaja de este método es la posibilidad de utilizar maquinaria estándar de moldeo por inyección con tornillos estándar. Esto ofrece una alta flexibilidad en el proceso de producción. Utilizando las piezas de adaptación correctas, esta tecnología se puede utilizar en máquinas de cualquier fabricante, sin ningún problema. Es más, la boquilla de inyección puede estar con el molde, de tal forma que la producción en la máquina se puede variar con un simple cambio de molde.

Para alcanzar una mejor homogeneidad en el sistema PBF/fundido, se puede colocar un mezclador estático entre la boquilla de inyección de fluido y la boquilla de disparo. Otra ventaja de los mezcladores estáticos es la apertura de la ventana de operación de la boquilla, ya que la tarea de mezcla se alcanza aguas debajo de ella. La figura 2 muestra una fotografía de una boquilla especial con un mezclador estático de Sulzer Chemtech, ubicados en una máquina de moldeo por inyección de Demag Ergotech GmbH.

Investigaciones y diseño experimental
¿Por qué se reducen los tiempos de los ciclos en FIM? Independientemente de la tecnología de procesamiento aplicada, existe más de una forma de alcanzar esta meta. Un fluido soplante disuelto en un polímero fundido reduce la viscosidad en fundido y permite menores tiempos de inyección. Además, como se necesita menos fundido para llenar los moldes, el calor de entrada y el tiempo de medida de la cantidad de fluido que va en los moldes son menores para las mismas condiciones de la máquina. Sin embargo, el mayor potencial de ahorro de tiempo lo ofrece la fase de enfriamiento. De acuerdo con la definición DIN 24450, esta fase va desde el inicio de la inyección hasta la apertura del molde [1].

Esta fase no influye en las propiedades de la pieza, pero tiene una contribución significativa en el tiempo del ciclo. Por esto, con el ánimo de producir una gran cantidad de piezas en un tiempo dado, se han realizado varios esfuerzos para mantener los tiempos de enfriamiento tan cortos como sea posible.

El objetivo de este estudio es evaluar el potencial de reducción del tiempo de enfriamiento utilizando un proceso de moldeo por inyección de espuma. Para esto, se escogió la geometría de un disco circular de 170mm de diámetro. El espesor de la pared se puede variar por medio de espaciadores y la cavidad se encuentra centrada a través una barra levadiza (bar gate). El polímero elegido para las pruebas fue polipropileno reforzado con 20%wt de talco, y el fluido soplante elegido fue dióxido de carbono [2].

Debido a que investigaciones recientes[3] detectaron que parámetros como la temperatura de fundición, la velocidad de inyección y la concentración del fluido (medida como presión) eran significativos, estos se seleccionaron de acuerdo con las investigaciones que se presentan adelante. La figura 3 muestra las pruebas de acuerdo a la geometría y los datos estadísticos, en donde m representa el nivel más bajo, p el nivel más alto y cp el punto central (el promedio del nivel bajo y el alto). Así, las condiciones ppm representan un punto experimental con alta temperatura de fundición ϑM, baja velocidad de inyección vinj y baja presión del fluido de soplado p CO2.

En un estudio preliminar, se determinó el tiempo de enfriamiento necesario para producir una pieza compacta con una combinación polímero/molde previamente seleccionada. El tiempo de enfriamiento se mantuvo constante para las demás pruebas y para la comparación directa con el experimento. Como referencia, se produjeron piezas con un centro establecido. Para la determinación del potencial de reducción del tiempo de enfriamiento, la temperatura de desmolde de las piezas así como el enfriamiento en el aire se registró mediante termografía infrarroja (IR)

Resultados y Discusión
La figura 4 muestra la variación de la temperatura promedio de la superficie en piezas con diferentes espesores de pared, d. En esta figura, se compara el moldeo por inyección convencional con varias configuraciones del moldeo por inyección de espuma. Las variaciones de temperatura de las piezas compactas están al menos 15°C por encima de las de las piezas espumadas, a pesar de las bajas temperaturas de fundición en algunos casos. La diferencia aumenta al aumentar el espesor de la pared. En las piezas compactas con pared de 6mm se observa un aumento considerable de la temperatura de la superficie (8°C aproximadamente) debido a la ecualización de la temperatura a lo largo de la sección transversal de la pieza. Después de 45 segundos, se alcanza la temperatura de desmolde original. En el caso de las partes espumadas con un espesor de pared relativamente grande, este efecto es evidente. Para espesores de pared de 3 y 4mm, las líneas de enfriamiento de las piezas espumadas son casi idénticas. Cuando el espesor de pared es de 6mm, las piezas que se producen en el punto central están aún más calientes. Un incremento de la temperatura de fusión de 10°C no necesariamente implica un aumento en la temperatura promedio de la superficie.

Para determinar la posibilidad de reducir el tiempo de enfriamiento, se redujo el tiempo de esta fase, en distintas configuraciones, hasta que las piezas obtenidas eran dimensionalmente estables. La figura 5 muestra los resultados alcanzados con FIM y la producción de piezas compactas por un proceso estándar. Existe una tendencia del potencial de reducción del tiempo de enfriamiento a decrecer a medida que aumenta el espesor de la pared de la pieza. Mientras que los discos de 4mm de espesor se desmoldaban en promedio 6s antes que los discos compactos (∆tc = 18,5 %), los discos de 6mm de espesor sólo se desmoldaban 4s antes (∆tc = 6,6 %).

El hecho de que, en principio, una mayor temperatura de fusión cause tiempos de enfriamiento más largos se puede confirmar a través de una serie de pruebas con discos de 4mm de espesor. Mientras que el disco fabricado con los parámetros mmm (ϑM = 230 °C) se desmoldó 8 segundos antes, un tiempo de enfriamiento mayor se necesitó para las configuraciones cp y ppp (2 y 4 segundos respectivamente). En estas configuraciones, la temperatura de fundición estaba 10°C por encima en cada caso. Aunque las diferencias son evidentes al realizar los experimentos con las partes espumadas, es aparente que en las piezas compactas sí se puede alcanzar una reducción del tiempo de enfriamiento, aun si la temperatura de fusión es mayor en 10°C (ppp) en comparación con la temperatura de fusión de las partes compactas de referencia.

Sorprendentemente, el tiempo de enfriamiento en las pruebas con 3mm de espesor es más bajo que en las de 4mm, como se muestra. La razón es la influencia dominante del bebedero del molde, que supera la influencia del espesor de las piezas, haciendo que el tiempo de enfriamiento requerido aumente. En la mayoría de los casos, el bebedero del molde está sobredimensionado, ya que se dimensiona para procesos de moldeo por inyección estándares, incluyendo la fase de retención de presión. Debido a esto, generalmente no se tiene en cuenta el ahorro que se puede generar en la fase de enfriamiento.

La figura 6 brinda una idea de la distribución de temperatura en la superficie de las piezas espumadas en el momento del desmolde. En la curva de temperatura del disco de 3mm, se puede identificar claramente el bebedero, donde se observa un máximo debido a la acumulación de material. Las bajas temperaturas lejos del centro del disco muestran claramente que con la modificación del gating en FIM (diámetro del cono del bebedero más pequeño o corrida caliente), un tiempo de enfriamiento mucho más pequeño es suficiente para lograr una producción dimensionalmente estable con 3mm de espesor.

Razones para la reducción de los tiempos de enfriamiento
Una razón para la reducción del tiempo de enfriamiento es que la pieza tiene un contacto más intenso con la superficie del molde. Si la pieza se suelta del molde por contracción térmica de volumen, la transferencia de calor se ve interrumpida por el espacio que se genera, ya que este actúa como un aislante. Las piezas que se desmoldan de las cavidades del molde antes de tiempo tienden a contraerse más [4]. La figura 7 muestra un resumen de las medidas de contracción de las piezas. La contracción volumétrica durante el enfriamiento en el molde se produce en un 90-95% en la dirección del espesor (en moldeo por inyección estándar) [4]. Si la temperatura en el núcleo de la pieza es lo suficientemente alta, esta región espumada compensa la contracción térmica del volumen en el caso de FIM. Por lo tanto la contracción durante el proceso es menor.

Por otro lado, la presencia del fluido soplante físico causa un aumento en la cinética de cristalización, haciendo que se pueda trabajar con temperaturas de molde menores y obtener el mismo grado de cristalización [5], diminuyendo así los tiempos de enfriamiento. La principal razón, sin duda, es la reducción en la cantidad de fundido que se necesita para llenar el molde. Además, en combinación con la posibilidad de procesar el polímero a menores temperaturas, la cantidad de calor que se debe dispersar para alcanzar la estabilidad dimensional puede sufrir una reducción drástica.

Conclusiones
El estudio descrito anteriormente muestra un claro potencial de reducción del tiempo de enfriamiento al implementar el moldeo por inyección de espuma (FIM). Aunque las ventajas económicas de la disminución del tiempo de enfriamiento parecen asequibles, este objetivo no se alcanza fácilmente. Un problema importante es el enfriamiento heterogéneo en el molde o una corrida (runner) sobredimensionada. Este hecho generalmente lleva a un espumado subsiguiente de las piezas, de tal forma que este aspecto se debe tener en cuenta cuando se realiza el diseño de los moldes.