¿De qué depende el tiempo de enfriamiento en moldeo por inyección?

Si usted ha asistido a alguno de los eventos de entrenamiento de RJG, probablemente en su mente quedó la cifra de 80%. Este número se refiere a qué tanto del tiempo de ciclo se gasta enfriando la pieza plástica para que alcance una temperatura que la haga lo suficientemente rígida para soportar las fuerzas de expulsión.

Como ingenieros (de producto, moldes o proceso), necesitamos entender cuáles factores influencian el enfriamiento y cómo finalmente determinan el tiempo de ciclo. Entonces, ¿De dónde viene la cifra de 80%? La ecuación 1 muestra la vía teórica para estimar el tiempo de enfriamiento para una pieza moldeada por inyección.

Más adelante se explicará en detalle cada uno de los términos de la ecuación 1.

A través del siguiente ejercicio, se revisarán las siguientes cuatro áreas que impactan la etapa de enfriamiento:

• Diseño del producto
• Selección de material
• Diseño del molde
• Procesamiento

Diseño del producto

La base para el tiempo de ciclo radica en las decisiones tomadas por el ingeniero de diseño de producto. Cuanto más grueso sea el producto para cumplir con condiciones de usabilidad, más largo será el tiempo de ciclo en producción.

En la ecuación 1, h2  representa el espesor del producto. Al tener una variable elevada al cuadrado, este factor pasa a ser el de mayor influencia en el tiempo de enfriamiento.

Para este análisis, utilizamos una probeta de la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM, por sus iniciales en inglés), como se ve en la figura 1 . Las dimensiones de longitud, ancho y espesor son 63.2 mm, 10.4 mm y 3.3 mm pulgadas, respectivamente.

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Selección del material

El plástico es un aislante por excelencia. En estado derretido o fundido, el plástico transfiere el calor ligeramente mejor. Al ceder calor, sus propiedades de aislamiento incrementan.

Las propiedades del material que fueron empleadas en la ecuación son:

• Temperatura de fundido: Temperatura a la cual hay transición del material de sólido a líquido
• Temperatura del molde: El rango de temperatura para lograr replicar el acabado superficial que se mecanizó en cavidad sobre el producto plástico
• Temperatura de deflexión/distorsión térmica (HDT): Temperatura a la cual el material se deflecta bajo carga ( figura 2 ).

Típicamente, la temperatura de expulsión en la ecuación usa la HDT, o una temperatura muy cercana por debajo de la HDT. La prueba ASTM para HDT representa con mucha precisión qué zona se endurece durante la expulsión con la acción de un pin expulsor en un solo lado, mientras el lado opuesto se encuentra sin soporte ( figura 2 ).

El símbolo alfa (a) de la ecuación 1 es un parámetro importante para determinar el tiempo de enfriamiento. ¿Pero qué significa? La ecuación 2 muestra cómo encontrar (a).

Las variables en la ecuación de difusividad térmica incluyen:

• Difusividad térmica: Tasa a la cual una perturbación térmica (en un aumento de temperatura) va a ser transmitida a través de la sustancia.
• Densidad: La cantidad de sustancia por unidades de volumen (g/cm3 para plásticos).
• Calor específico: Calor en calorías requerido para elevar la temperatura de una gramo de sustancia un grado Celsius.

Para esta prueba, se utilizó la resina Toyolac 100 con una temperatura de fundido en el rango entre 230 y 250 °C, temperatura del molde de 40 a 80°C y HDT de 83°C. La densidad se puede encontrar generalmente en la hoja técnica del material, pero para la conductividad térmica o el calor específico, es mejor contactar directamente al proveedor o utilizar la información del banco de datos de un software de simulación.

Con base en la geometría del producto y la selección del material, el tiempo estimado de enfriamiento fue de 18.00 segundos, a partir de una simulación de inyección.

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Dada la energía requerida para fundir el material, no es práctico remover todo el calor mientras la pieza aún está en el molde. Solo el 40% de la energía debe ser removida para alcanzar la rigidez necesaria y así expulsar el producto.

Generalmente, no se recomienda elegir un temporizador de enfriamiento que solo cumpla el HDT, sino que se sugiere elegir un valor máximo como factor de seguridad. Una regla de oro es sumar 20% al temporizador de enfriamiento para tener en cuenta la variación del material que entra y aligerar los cambios de desempeño de la máquina. Para productos con tolerancias estrechas, el factor de seguridad deberá incrementarse.

Diseño de molde

Para este producto se utiliza un molde de ocho cavidades, con un patrón de canal de alimentación en H y puntos de inyección de borde superpuesto. Las líneas de enfriamiento se ubicaron en la cavidad, el núcleo y el bloque del canal de alimentación siguiendo las directrices establecidas para diámetro/profundidad/paso. Usando los métodos probados para el diseño de la línea de refrigeración, se minimizaron el alabeo y tiempo de ciclo.

Procesamiento

Entonces, ¿De dónde viene la cifra de 80%? Miremos los datos que se obtuvieron. Las etapas del proceso se tomaron como:

• Llenado
• Empaquetamiento/post-presión
• Enfriamiento
• Apertura/expulsión/cierre del molde

Para este experimento, se desarrolló un proceso robusto Desacoplado II, resultando en los siguientes parámetros de proceso:

• Temperatura real de fundido: 235°C.
• Temperatura real del molde: 49.4°C con una tasa de flujo de 3.0 gpm para el circuito de enfriamiento.
• Tiempo de llenado: 0.26 segundos con una presión de transferencia de 576 bar.
• Empaquetamiento/post-presión: 8.0 segundos a 286 bar.
• Tiempo de enfriamiento: 10.0 segundos.

Si se suman los tiempos de proceso juntos y se dividen por el tiempo total de ciclo, alcanzamos un valor de 0.85. Esto significa que la proporción del ciclo que se gasta en enfriamiento de la pieza es 85% para soportar las fuerzas de expulsión.

La figura 3 , muestra la temperatura real del producto medida en la superficie de la probeta a través del tiempo durante el proceso. En el experimento realizado la probeta de tensión se enfrío de 235°C a 95°C en 8.26 segundos (tiempo de llenado y empaquetamiento/post-presión). Para alcanzar la temperatura HDT de 83°C, se requirió un tiempo adicional de 8.47 segundos. La temperatura cayó sólo 3.2°C (a 79.8°C) en menos de 9 segundos, lo que significa que había una ineficiencia evidente en la transferencia de calor.

Este gráfico ( figura 3 ) también indica que, en algún punto, dejar la pieza en el molde no representa un valor agregado. Con base en los conceptos de geometría, material, molde y procesamiento, dejando el molde cerrado durante 24.73 segundos el producto no se enfría mucho más de lo que se requiere.

Conclusión

El enfriamiento de la pieza es siempre función del espesor de pared y del material que el ingeniero de diseño elige. Depende del ingeniero diseñador del molde el ubicar los canales de refrigeración en la zona adecuada para permitir un tiempo de enfriamiento mínimo. Como ingeniero de proceso, el viejo adagio de “llenar tan rápido y consistente como sea posible con calidad” aún se mantiene como verdadero. Si la tasa de flujo volumétrico es muy baja, las oportunidades de ejercer post-presión son de bajas a nulas, ya que el material en cualquier momento puede congelarse.

Para esta geometría y material, gran parte del calor (122,8°C) es removido durante las etapas de llenado y empaquetamiento/postpresión. Sin embargo, para remover los últimos 3.2°C y llegar a una temperatura más baja que el HDT, se requiere más tiempo que para llenar y ejercer post-presión al producto plástico. El enfriamiento es un juego de espera, pero con mejor ingeniería (diseño del producto, diseño del molde y proceso) el tiempo requerido para enfriar el material puede ser menor.

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