Control dimensional en piezas plásticas

La fabricación de piezas plásticas no es, por lo regular, un proceso de alta precisión. Respecto de materiales como los metales, es de esperarse que en la fabricación de polímeros existan desviaciones importantes en dimensiones y formas, tal como lo resalta la norma vigente DIN 16742 para control de tolerancias en productos plásticos.

En esta dirección, aunque las capacidades de moldeo de los polímeros son incomparables respecto de otros materiales, sus características específicas obligan a que inevitablemente ocurran cambios dimensionales considerables al salir de la herramienta de moldeo.

Por lo anterior, al ser una certeza que las piezas moldeadas se contraerán, la siguiente inquietud es: ¿cómo lo harán y cómo lo puedo controlar?. Dependiendo del tipo de aplicación para la pieza plástica fabricada, el control dimensional desde el diseño y el proceso de moldeo — apoyados por una buena metrología — serán muy importantes para prever las diferencias entre la geometría deseada y la final, con el fin de obtener siempre piezas dentro de especificación.

El porqué del cambio dimensional

La microestructura de los plásticos se ve como una serie de cadenas de moléculas formadas a partir de pequeños eslabones (llamados monómeros) que se organizan de distintas maneras dependiendo de su composición química, de la temperatura y de la presión bajo las cuales estén sometidas. En su estado fundido, tales cadenas forman una gran maraña y se desplazan libremente entre sí.

Desde tal estado, cuando la temperatura disminuye hasta el punto de reblandecimiento (o temperatura Vicat), la dinámica de organización molecular es diferente dependiendo de si se trata de polímeros amorfos, tales como ABS o policarbonato; o de semi-cristalinos, entre los que se encuentran el polietileno, el polipropileno y el PET.

En el caso de los amorfos, las cadenas se alinean ligeramente, se unen entre ellas y se genera una maraña sólida sin una forma definida. Por su parte, en los semi-cristalinos se juntan las cadenas y van formando láminas que paulatinamente se convierten en estructuras parecidas a cristales esféricos (llamados esferulitas).

Es así que, debido a que su estructura final es más compacta, las resinas semi-cristalinas exhiben una mayor contracción volumétrica que las amorfas.
Por debajo de la temperatura Vicat y hasta llegar a temperatura ambiente, lo que se observará en los materiales semi-cristalinos es un agrupamiento progresivo de cristales, mientras que en los amorfos se culminará la reacomodación de sus cadenas constituyentes. La duración e intensidad de estos movimientos, de esta contracción volumétrica, dependerá de la energía disponible en el material de moldeo.

Cuando no se describe un proceso de solidificación simple como el anterior, sino que se habla de un proceso de fabricación donde el polímero interactúa con una herramienta (un molde o un dado, según el proceso), es importante tener en cuenta que los esfuerzos cortantes debido al procesamiento inducirán un direccionamiento preferente en las cadenas de monómeros, lo cual afectará también cómo se reorganizan estas cadenas durante la solidificación.

En la práctica, cuando existen variaciones térmicas importantes dentro del mismo componente (tal como ocurre cuando hay zonas de acumulación de material o cuando el atemperamiento ha sido inadecuado) se presentará una contracción irregular que se puede traducir en rechupes, deformaciones o alabeos indeseados. Por otra parte, si la orientación de moléculas es severa, tendrá lugar una contracción desigual en la pieza moldeada, con mayor intensidad en las direcciones perpendiculares a la orientación.

Normativas relacionadas con evaluación dimensional

Para la especificación geométrica inicial y para la medición rigurosa de componentes se ha desarrollado un importante número de normativas y lineamientos relacionados con el estudio dimensional de piezas plásticas, a partir de experiencias y hallazgos en más de un siglo de conocer el moldeo de estos componentes. En esta dirección, la norma DIN16742 es, tras reemplazar la DIN16901 en el año 2013, uno de los más importantes referentes en cuanto a control dimensional de componentes plásticos moldeados. Dentro de esta normativa se especifican condiciones claras para la especificación de tolerancias y la medición de propiedades, atendiendo las tareas de diseño y control de calidad de piezas plásticas.

Uno de los títulos más importantes de la norma corresponde al relacionado con condiciones de aceptación para productos moldeados, en el cual que se recomienda que cualquier verificación dimensional debería llevarse a cabo entre 16h y 72h después del proceso de moldeo, habiendo almacenado previamente el componente en una atmósfera estándar (definida por una temperatura controlada de 23°C ± 3°C y humedad relativa 50% ± 10%).

Además de esto, en el estándar se sugieren rangos de tolerancias en dimensiones específicas al molde (aquellas que provienen de geometrías talladas en el molde) y dimensiones no específicas al molde (aquellas que pueden depender de algún movimiento adicional, tal como el movimiento de un inserto o el desplazamiento de un macho), a partir de nueve grupos de tolerancia dependientes del nivel de precisión que se desee -y sea posible- con el proceso de moldeo. Al final, estas normativas son una guía de apoyo a partir de las cuales se puede concluir que, así como es importante generar una especificación dimensional adecuada, es importante poder medirla correctamente de forma repetible en el marco de una especificación detallada (protocolos estandarizados).

Sistemas y tecnologías para el control dimensional

Las mediciones dimensionales de componentes moldeados serán la información más relevante cuando se trata de evaluar si un proceso está generando piezas dentro de especificación, por lo que, además de los protocolos establecidos, es necesario contar con equipos y sistemas que permitan comprobar de forma adecuada la dimensión final del producto.

Las mediciones dimensionales de contacto conforman el primer grupo de sistemas para control dimensional. En la industria, los sistemas más básicos para medición son los patrones “va / no va” (“go /no-go”), los cuales ofrecen buena facilidad para hacer chequeos rápidos de dimensiones generales.

No se trata solamente de acotar y marcar tolerancias adecuadas para el componente; se trata de diseñar pensando en los materiales plásticos.

No se trata solamente de acotar y marcar tolerancias adecuadas para el componente; se trata de diseñar pensando en los materiales plásticos.

Por otra parte, los sistemas de medición convencionales (calibradores, columnas de medición, comparadores de carátula) permiten obtener una mayor precisión que los anteriores, al ofrecer resultados cuantitativos de las características dimensionales medidas. Sin embargo, con ellos es muy importante que el método de medición sea repetible para evitar diferencias que puedan resultar en una evaluación errónea de las posibles desviaciones dimensionales del proceso. Para cerrar, cabe mencionar los equipos con palpadores táctiles, usados generalmente en celdas de producción con medición automatizada de componentes.

En la rama de los sistemas sin contacto, los sistemas de visión a partir de luz visible e infrarroja han cobrado cada vez más importancia por la velocidad y repetibilidad que ofrecen en cuanto a evaluación dimensional de componentes. Algunos equipos del mercado ofrecen la posibilidad de realizar mediciones continuas — que vienen pensados en la mayoría de los casos para extrusión — y otros realizan análisis rápidos de características del componente determinadas previamente. Una de las ventajas de estos sistemas es que permiten la medición de distintas regiones del producto de forma simultánea, con lo que abren la posibilidad a la realización de análisis de calidad dimensional más rigurosos y completos.

Control geométrico desde el diseño y el proceso

Durante el diseño de producto, la única información disponible es el grupo de requerimientos y restricciones a partir de las cuales debe ser especificado el componente. Por estas libertades de desarrollo, es aquí donde mayor impacto se puede tener respecto del control dimensional de piezas plásticas.

No se trata solamente de acotar y marcar tolerancias adecuadas para el componente; se trata de diseñar pensando en los materiales plásticos. Se trata de buscar, desde el diseño de pieza, que se eviten o prevean condiciones relacionadas con el cambio dimensional. Aquí, por ejemplo, cobran importancia temas como el diseño óptimo de soportes y refuerzos en zonas proclives a sufrir alabeos; la recomendación de diseñar para espesores constantes; y la necesidad de evitar zonas de acumulación de material.

Por su parte, en la etapa de diseño de herramental, la tarea consiste en generar un molde o dado cuya capacidad de control térmico y cuyas dimensiones permitan obtener una pieza que, después de su contracción, esté dentro de especificación.

En cuanto a los sistemas de refrigeración, el diseño debe buscar que la temperatura de pieza sea lo más controlada posible a la salida de la herramienta.
Finalmente, para el proceso de transformación del producto plástico, la herramienta de mayor influencia en el control dimensional estará constituida por el grupo de parámetros de proceso, como temperaturas, velocidades y presiones de sostenimiento. La regulación cuidadosa de tales parámetros, pensando en cómo pueden afectar o no el resultado dimensional del componente, es clave para obtener piezas dentro de especificación y tener planes de acción en caso de variaciones en otros parámetros.