La unidad de plastificación: elemento clave dentro del proceso de inyección

Uno de los sistemas principales que componen la máquina inyectora es la unidad de plastificación. La unidad conformada por el tornillo plastificador y el barril se encarga de recibir la resina en estado sólido, llevarla a un estado viscoso homogéneo y generar la suficiente presión para introducirla en las cavidades del molde. Del correcto funcionamiento de este sistema también dependerá en gran medida el desempeño global del proceso de inyección.

Caracterí­sticas del tornillo

También conocido como tornillo reciprocante, dadas sus dos funcionalidades (plastificación e inyección), normalmente está compuesto por una hélice sencilla y por tres secciones: alimentación, comprensión y dosificación. En el extremo del tornillo (nariz) se encuentra una válvula antirretorno que se encarga de permitir el flujo hacia adelante del tornillo de la resina plastificada durante el movimiento de rotación (plastificación) y también evita que esta se devuelva en el movimiento axial (inyección) del tornillo, generando un incremento de presión durante la inyección y la etapa de sostenimiento.

En la zona de alimentación se recibe y transporta el material sólido suficiente para que el proceso entregue el flujo másico esperado; esta zona cuenta con un diámetro de núcleo constante. Luego, en la zona de compresión se transporta, comprime y plastifica la resina, mediante un diámetro de núcleo variable, donde gracias al cambio del volumen y mediante la fricción generada entre las partí­culas de material, el tornillo y el barril, se incrementa la temperatura y se genera el cambio de estado sólido a viscoso del material. En la zona de dosificación se terminan de completar la plastificación y homogenización de las condiciones de la masa fundida (temperatura y viscosidad); esta zona tiene un diámetro de núcleo uniforme.

El diámetro exterior del tornillo y el interior del barril, que normalmente corresponde al principal dato caracterí­stico de la unidad de plastificación, además de definir la medida nominal de este conjunto también entrega información respecto a la capacidad de flujo másico de la que se podrá disponer por unidad de tiempo. Aunque la inyección sea un proceso discontinuo y el parámetro que más cuidemos sea el tiempo de ciclo, no se debe perder de vista el flujo másico.

Tanto en inyección como en extrusión, la relación L/D (longitud sobre diámetro) es la manera de relacionar cuán larga es una unidad. Normalmente en inyección se acostumbran relaciones superiores a 20. En la medida que mayor longitud se tenga, se obtendrá una masa fundida más homogénea, así­ como un mayor tiempo de residencia de la resina en el interior de la unidad.

El perfil del tornillo describe la longitud de cada una de las tres zonas que lo componen. Un valor tí­pico para un tornillo de los denominados de propósito general podrí­a ser 10 – 5 – 5. Lo que significa que se trata de un tornillo con diez diámetros de longitud en la zona de alimentación, cinco en la zona de transición y cinco en la de dosificación. Estos valores, pueden ser modificados en diseños especí­ficos de tornillos. Por ejemplo, una zona de alimentación de mayor longitud aumenta el potencial de flujo másico, un aumento de la zona de compresión representarí­a una transición menos brusca que representa una menor fatiga térmica para el material y una zona de dosificación con un mayor número de diámetros facilitarí­a el proceso de homogenización del material y entregará un mejor resultado. No se puede perder de vista que para los materiales sensibles térmicamente, el aumento del tiempo de residencia en la unidad de plastificación puede representar dificultades importantes.

La profundidad del canal en las diferentes zonas está definida por la resina que se desea procesar, luego la profundidad de las zonas de alimentación, transición y dosificación estarán definidas por la relación de compresión, que también debe ser seleccionada según la resina que se desea procesar. Por ejemplo, una baja profundidad de canal genera una alta rata de generación de calor y un bajo flujo másico. Así­ que la determinación de estos valores no podrá ser accidental.

El paso del tornillo es otra caracterí­stica relevante de diseño. Cuando el paso es igual al diámetro, se denomina como de paso cuadrado, lo que equivale a un ángulo de hélice de 17,65°.

La válvula antirretorno es un elemento crucial en el correcto funcionamiento de la unidad de inyección. Esta es la que hace la gran diferencia entre los tornillos para el proceso de extrusión y el proceso de inyección. Su presencia es la que permite que el tornillo pueda cumplir las dos funciones en momentos distintos, la de plastificar mientras gira y se desplaza hacia atrás y la de inyectar mientras avanza de manera axial hacia adelante. El correcto sello, su apropiado tiempo de respuesta, serán los responsables de evitar la devolución del material plastificado durante el levantamiento de la presión de inyección y también de la precisión de la cantidad de material inyectado entre ciclo y ciclo. Existen diferentes diseños, que se recomienda analizar para cada aplicación especí­fica.

Caracterí­sticas del barril

Las principales caracterí­sticas que describen al barril son su diámetro interno y su longitud. Ambas variables están siempre coordinadas con las del tornillo y aunque esto puede resultar obvio, en este punto radica si no el más importante, uno de los puntos más relevantes en el desempeño de la unidad de plastificación.
La diferencia entre el diámetro interior del barril y el diámetro exterior del tornillo determinarán su correspondiente nivel de eficiencia.

Los materiales y los tratamientos térmicos

Dentro del proceso de plastificación, la fricción entre el material, el tornillo y el barril representan la fuente de energí­a más importante; las resistencias teóricamente se encargan de perseguir condiciones de inicio y la estabilidad térmica, dada la discontinuidad del proceso. Por esto, los materiales y los tratamientos térmicos utilizados en la fabricación tanto en el tornillo como del barril serán cruciales para la vida útil y el desempeño de los elementos.

Los tornillos normalmente son fabricados en aceros aleadas, como por ejemplo los de la serie 4.000, aceros de herramientas o incluso aleaciones especiales. Se combinan con tratamientos térmicos totales, superficiales o incluso aplicaciones de recubrimientos duros en las zonas de desgaste como las crestas de los filetes y los flancos de estos. Como en la selección de las demás variables de diseño, también la selección de materiales y tratamientos térmicos dependerá de las resinas a procesar.

En el caso de los barriles, también se acostumbran aceros aleados de la serie 4000 combinados con tratamientos de nitruración, fundiciones bimetálicas, aceros de herramientas o aleaciones especiales. Será el barril el que deberá estar mucho mejor preparado, con durezas superiores a las del tornillo, para una mejor resistencia al desgaste, de tal manera que, en el momento la perdida de dimensiones que garantizan las holguras correctas, sea el tornillo el que se reemplace o se repare.