Diseño y operación de sistemas de enfriamiento en moldes de inyección para termoplásticos

Como se sabe, la productividad del proceso de inyección de termoplásticos está relacionada íntimamente con la efectividad del sistema de enfriamiento del molde.  Esta efectividad se determina en el momento de diseño del sistema, pero durante su operación puede variar considerablemente.  A continuación se discutirán los principales conceptos involucrados en el diseño y en la operación de un sistema de refrigeración en un molde de inyección para termoplásticos.  También se indicarán algunos cálculos sencillos, que permiten rápidamente llegar a decisiones prácticas que ahorren tiempo, especialmente cuando se trata de utilizar herramientas de alto desempeño como son los programas de simulación.

Datos básicos iniciales

Geometría: Se discutirá el diseño del sistema de refrigeración para la caja similar a la de una batería (Fig. 1). Se trata de una caja imaginaria, delgada y simplificada, con una altura de 150mm, largo 250mm y ancho 130mm, de espesor uniforme de 2mm con un peso aproximado de 440g.  Esta pieza permite utilizar, en todo el molde, canales paralelos a la superficie.  Estos son muy eficientes y siempre se debe de tratar de utilizarlos, mientras sea posible.

Material: Polipropileno copolímero. La temperatura de inyección se fija en 225°C.  Este material puede desmoldarse sin problemas a una temperatura de 80°C y son las temperaturas que se tomarán para todos los cálculos. El calor específico medio del material, para un enfriamiento entre dichas temperaturas es  2,99J/ (g °C).

Líquido refrigerante: agua a 18°C proveniente de una torre de enfriamiento.  El incremento de temperatura a su paso por el molde se fija, como es usual, en 1,5°C.^1/2/3

Meta: El sistema de refrigeración debe permitir operar el ciclo de inyección con una duración máxima de 22s, que incluyen 5s para los movimientos de apertura y cierre del molde y expulsión de la pieza. Es posible lograr un ciclo más corto, como se verá al discutir la operación del sistema.

Diseño del sistema

1. Tiempo de enfriamiento y temperatura de la pared de la cavidad

Estos dos valores no se pueden definir independientemente. Al fijar el tiempo de enfriamiento, como en nuestro caso, ya queda implícitamente determinada la temperatura que debe tener la cavidad.  Esta se convierte así en otra meta del diseño del sistema de refrigeración.

Veamos las siguientes ecuaciones que relacionan el tiempo de enfriamiento t_enf con la temperatura promedio de pared T_w.  En nuestro caso estas son las únicas variables (la temperatura de inyección T_m, y la de desmoldeo T_desm son datos). Lo mismo para el espesor s de la pieza y la difusividad térmica efectiva a_ef, (0,076 mm²/s) que depende del material.

**B2BIMGEMB**1**

La Ec. 1 incluye el valor medio de la temperatura de la sección bajo análisis en el momento de la expulsión. La Ec. 2 relaciona la temperatura máxima de la sección en el momento de la expulsión.

Si se desea encontrar el tiempo de enfriamiento para que toda la sección de la pieza, en la región de estudio, esté por debajo de la temperatura de desmolde estipulada, la temperatura de pared requerida se despeja de la Ec. 3:

**B2BIMGEMB**2**

La temperatura obtenida con la Ec. 3 es aproximadamente 60°C. Este valor por lo general es más alto que el real, ya que esas ecuaciones consideran condiciones simples y uniformes difíciles de obtener.  Un valor entre 10% y 15% menor que el teórico es muy frecuente en la práctica. La temperatura de la pared de la cavidad deberá estar cercana a los 50°C en nuestro diseño.

2. Estimación del caudal mínimo requerido para refrigerar la pieza

Con la información anterior y la Ec. 4 se determina el flujo mínimo requerido.  El factor 60/1000 permite obtener el flujo en lt/min, con las unidades indicadas en los datos.

**B2BIMGEMB**3**

El calor específico del agua para el rango esperado de temperatura de operación es de 4,2kJ/kg°C, y su densidad aproximada 1g/cm³.

3. Determinación del diámetro de los canales

Dos criterios combinados permiten escoger el diámetro de los canales: consideraciones de maquinado y el número de Reynolds.  Un diámetro de 10mm permite perforar sin inconvenientes las longitudes estimadas en el molde (aquí inferiores a 500mm) y es poco propenso a obstrucciones por depósitos.   Valores de Reynolds entre 10,000 y 50,000 son aceptables (zona verde en la Fig. 2) y garantizan un régimen turbulento, indispensable para una buena transferencia de calor, sin generar altas caídas de presión en los canales de refrigeración.

En la Fig. 2, se ve que un diámetro de 10mm y un flujo de aprox. 10lts/min queda bien dentro del rango de Reynolds. El sistema de nuestro ejemplo debe por lo tanto dividirse en varios circuitos. Una primera aproximación es hacerlo en circuitos similares. En nuestro caso se necesitan pues como mínimo 8 circuitos, cada uno atendiendo aproximadamente un 12,5% del peso total de la pieza.

4. Determinación de la distancia (a) de los canales a la pared de la cavidad y entre ellos (b)

Estas distancias se toman respecto a los centros del canal.  Una recomendación muy utilizada^1/2/3 es la de ubicar los canales a una distancia de la pared (a) entre 2 y 3 veces su diámetro. Para la distancia entre canales (b) entre 2 y 5 veces el diámetro. Es importante conocer cómo influye cada una de estas distancias en el desempeño del sistema, para poder decidir sobre ellas.

La distancia del centro de los canales hasta la pared de la cavidad (distancia a), junto con la conductividad térmica del material del que esté fabricada la cavidad, determinan la temperatura de ésta. Si a disminuye, disminuye la temperatura de la pared, pero la distribución de temperatura en la superficie de la cavidad se deteriora, ya que las zonas que no están directamente al frente del canal alcanzan una mayor temperatura. El empleo de materiales de alta conductividad térmica hace que la temperatura de la cavidad disminuya. En algunos casos, es la única alternativa para lograr un buen enfriamiento en lugares con refrigeración deficiente (alta temperatura de pared). Una baja temperatura de pared permitirá operar el molde en ciclos más cortos, dentro de los límites que la calidad del artículo lo permita.

Al disminuir la distancia b se aumenta la capacidad del sistema de captar el calor proveniente de la cavidad y también la efectividad del sistema de refrigeración. Como se desprende de las Fig. 3 a Fig. 5, esta distancia corresponde a la longitud de la sección de la pieza que atiende cada canal. Una baja distancia entre canales es pues muy deseable. Además ayuda a disminuir la diferencia de temperaturas en la pared de la cavidad si se usan valores bajos de a. Un valor bajo de b aumenta el número de canales, y por lo tanto los costos de fabricación, pero a largo plazo es preferible tener un sistema de alta capacidad de enfriamiento a pesar de una mayor inversión inicial. Al aumentar su número aumentan también las dificultades para su ubicación por posibles interferencias con elementos de fijación, expulsores, correderas etc. Por lo general se recomienda no acercarse a menos de 10mm de otras perforaciones o elementos del molde, y nunca tener un espesor entre ellas menor a 5mm.

En nuestro ejemplo, la ubicación de los canales en los machos que conforman las celdas de la caja, genera una situación que merece atención especial: los canales atienden simultáneamente la refrigeración de las dos paredes separadoras de cada celda (Fig. 4). En la zona de los extremos, los canales atienden tres regiones: dos paredes separadoras y la zona interior de las paredes laterales interiores de la pieza (Fig. 5). Para los canales de la hembra la situación es menos exigente (Fig. 3). Estos canales solo atienden la pared que está frente a ellos.

Con estos planteamientos ya se pueden tomar decisiones sobre los circuitos. Para la hembra del molde, que atiende la refrigeración de las paredes externas de la pieza, se destina un circuito para refrigerar la base de la caja. Para las paredes laterales dos circuitos, cada uno de ellos atendiendo una de las paredes laterales cortas y una de las largas (Fig. 6). Estos tres circuitos atenderán entre el 40% y el 50% de la refrigeración de la masa de las paredes exteriores de la batería. Esto se debe a que la pieza del ejemplo tiende a perder más rápidamente contacto con las paredes de la hembra y a mejorarlo en los machos a medida que la pieza se enfría y contrae. Los machos entonces extraen proporcionalmente más calor que la hembra (entre el 50% y el 60%). En los 6 machos se puede distribuir la carga de refrigeración entre 5 circuitos: tres atendiendo la zona de los machos que refrigera simultáneamente 3 paredes (canales más externos en los machos) y dos circuitos para refrigerar dos grupos de los separadores de tres celdas. Esto se puede apreciar en la Fig. 6.

En particular, para los canales de los machos del ejemplo, se debe observar que la distancia a queda determinada obligatoriamente en a =20mm. Para los de los extremos, b =40mm. Los otros dos canales que forman parte del circuito que refrigera dos paredes separadoras como muestra la Fig. 6, sí se pueden distribuir a voluntad y uniformemente en el espacio.

Para los canales de la hembra se toma una distancia a la pared de 2,5 diámetros (a=25mm) y se distribuyen siete canales uniformemente al frente de las celdas, (b=40mm). Las paredes laterales cortas quedan, cada una, con cuatro canales.

Con estas distribuciones en mente, el flujo mínimo de 82,5 lt/min se reparte proporcionalmente en forma aproximada al peso de las regiones que atiende cada uno de los ocho circuitos. Para cada uno de los circuitos de las paredes laterales de la hembra 10lt/min; 8lt/min para la base; 12lt/min para cada uno de los tres circuitos de los machos y 10lt/min los dos restantes,  para un total de 84 lt/min.

Estos valores conforman un punto de partida razonable para iniciar el cálculo detallado del desempeño del sistema. Para nuestro ejemplo utilizamos CadMould que es el software de simulación que el ICIPC emplea exitosamente desde hace 20 años en sus labores de desarrollo y optimización de moldes de inyección. Se trata de un software desarrollado inicialmente en el Institut für Kunststoffverarbeitung IKV-Aachen, de la Universidad de Renania del Norte (RWTH) en Alemania y posteriormente por la casa Simcon GmbH también en Alemania, su actual fabricante.

5. Verificación de la temperatura de pared de cavidad

Ahora podemos verificar si el sistema definido puede garantizar que la temperatura de la pared de la cavidad alcance el valor que permite un ciclo de 22s de los cuales 17s están disponibles para enfriar la pieza.

La distribución de temperaturas de pared de la cavidad en la zona bajo observación que se obtiene con CadMould se observa en la Fig. 7. Los resultados muestran una distribución de temperatura bastante uniforme en las paredes externas, con valores máximos cercanos a los 40°C. En la parte interior, en la zona más crítica, esta temperatura máxima se acerca a los 58°C. Así, nuestro valor estimado de 50°C es una buena aproximación.

En la Fig. 8 se observa que el tiempo para alcanzar la temperatura de desmoldeo no supera los 17s en ninguna zona de la pieza. Esto confirma que el diseño del sistema de refrigeración es adecuado y cumple con las metas propuestas.

Si en la operación del sistema se mantienen las condiciones de proceso, el desempeño del molde será similar a lo esperado. Desafortunadamente en la práctica, la temperatura del refrigerante puede variar, ya sea intencionalmente o en forma desapercibida. Lo mismo puede ocurrir con los flujos de agua especificados en el diseño. Surge entonces la pregunta sobre el efecto de estos cambios en la productividad del ciclo.

Un camino es realizar con ayuda de un programa de simulación como CadMould un conjunto de cálculos que abarquen las diferentes posibilidades de variación de dichos parámetros y analizar los resultados. Esto sin embargo demanda una apreciable inversión de tiempo y esfuerzo. Otro camino es utilizar modelos matemáticos simples, que aunque no arrojan resultados tan precisos como los del software de simulación, permiten en una fracción del tiempo y con muy poco esfuerzo obtener suficiente información para concluir sobre las tendencias de los cambios que ocurren.  En este caso se utilizó la herramienta desarrollada por el ICIPC, Inyectools, en particular su módulo para el diseño y análisis de sistemas de enfriamiento en moldes. Esta información además permite identificar qué simulaciones son realmente necesarias para optimizar la operación y eventualmente introducir mejoras puntuales en el diseño.

A continuación se ilustra el impacto que trae sobre la productividad el cambio en las condiciones de operación de un molde. Para los cálculos se supondrá que varían el flujo y la temperatura del refrigerante. Además es necesario establecer para los nuevos puntos de operación, que la duración del ciclo se varía de tal forma que la temperatura de la pieza en el momento de ser expulsada del molde es siempre la misma: 70°C. La Fig. 9 muestra como ejemplo, la cantidad de calor que se extrae de la pieza, la que extrae el refrigerante, así como su interacción con el ambiente, obtenidos con Inyectools. También se muestran varias temperaturas en puntos clave del sistema como la temperatura del fluido a la entrada y a la salida del circuito, la temperatura de la cavidad que se alcanza cuando la operación alcanza una condición estable, entre otras.

Las condiciones de flujo se variaron entre 2 y 10 lt/min y la temperatura de entrada del refrigerante entre 9°C y 18°C. Adicionalmente se analizaron dos diseños caracterizados por las distancias a y b y el diámetro de los canales. En total se calcularon 72 condiciones de operación diferentes. El diseño 1 tiene un diámetro de canales de 10mm separados b=33.2mm. El diseño 2 tiene canales de 8mm de diámetro, separados b=24mm, o sea que posee un mayor número de canales. El menor diámetro de canales del diseño 2 aumenta el número de Reynolds y favorece una mejor transferencia de calor.

Los 72 cálculos diferentes plasmados en las Fig. 10 y Fig. 11 se realizaron en unos cuantos minutos con Inyectools. Con un software especializado de simulación esto tomaría varios días de trabajo y la mayoría de los cálculos serían innecesarios.  CadMould permite realizar automáticamente un diseño de experimentos muy eficiente para la labor anterior. El usuario sin embargo debe estipular los rangos o niveles de variación adecuados. Conocer si en ese rango el comportamiento es lineal o no, es muy importante, así como definir los niveles en los cuales sí se obtiene un cambio significativo y evitar cálculos innecesarios. Los cálculos rápidos obtenidos con Inyectools arrojan esta valiosísima información, aunque no sean tan precisos, para un empleo eficiente de herramientas sofisticadas y de alta precisión, como CadMould.

Análisis y conclusiones

Los resultados de este análisis muestran que el impacto en el tiempo de ciclo tiende a depender linealmente con la temperatura de entrada del refrigerante (gráficas a la derecha en Fig. 10 y Fig. 11).  Es decir cambios iguales en esta temperatura producen cambios iguales en el tiempo de ciclo para un determinado flujo. Los cambios en flujo por el contrario muestran un efecto mucho mayor y no lineal (gráficas a la izquierda en Fig. 10 y Fig. 11). Además el efecto del cambio es mayor si este ocurre a bajos niveles de flujo y tiende a disminuir a medida que el nivel de flujo se hace mayor, a una misma temperatura. Este último comportamiento ayuda a identificar, por ejemplo, cuándo un sistema está operando con bajo o alto nivel de turbulencia. Además resulta claro que entre las dos variables hay una marcada interacción. El efecto del cambio de la temperatura de entrada en el ciclo depende del nivel de flujo y a bajos niveles de flujo su efecto es muy pequeño, sobre todo en el diseño1 (Fig. 10).

También se concluye que un diseño de mayor capacidad para transferir calor, como el diseño 2, conduce a un mayor impacto sobre el ciclo con cambios tanto de temperatura como de flujo.

Para ambos casos y en general se puede concluir que, en una amplia ventana de operación, es posible obtener el mismo efecto en el tiempo de ciclo variando la temperatura del refrigerante, o aumentando el flujo del mismo, siendo el cambio en el flujo el que muestra el mayor impacto. Energéticamente, siempre es más favorable un aumento de caudal en el sistema que una disminución de la temperatura del refrigerante. Esto se debe tener en cuenta al optimizar energéticamente la operación del molde y el ciclo de producción. Tampoco se puede olvidar que una baja temperatura puede generar problemas de condensación en el molde, si su temperatura llega a igualar o ser menor que la de rocío en la planta.

Aunque es más difícil y un poco más costoso aumentar el número de canales en un sistema de refrigeración, el tiempo de ciclo disminuye favorablemente y permite una operación con más flexibilidad al cambiar condiciones de proceso (diseño 2). En el largo plazo esto conduce a una operación más eficiente y por lo tanto más rentable del ciclo productivo de inyección.

Por último, la combinación de herramientas precisas y sofisticadas de análisis como CadMould con herramientas simples y rápidas como Inyectools aunque menos precisas, permite optimizar y reducir tiempo y costo de análisis. Además arroja valiosa información para “entender” mejor el comportamiento de un sistema de refrigeración.

Aunque el empleo de estas herramientas implica una inversión inicial algo mayor, la disminución en el tiempo de desarrollo y la operación eficiente del sistema compensan con creces, a largo plazo, dicha inversión.

Artículo proveniente de la revista impresa con el código TP2904-DISEÑO-MOLDES.