Nuevo método para determinar la termoformabilidad de un producto

Artículo presentado por SPE (Sociedad de Ingenieros Plásticos) en la conferencia ANTEC 2005.

Introducción
A pesar de ser ampliamente empleado desde hace varias décadas, el proceso de termoformado es más un arte que una ciencia. Existen muy pocas pruebas confiables al alcance de procesadores e investigadores para analizar y cuantificar la termoformabilidad de un material. Este trabajo presenta una comparación entre los métodos existentes y un nuevo aparato de pruebas que simula de manera muy cercana el proceso de termoformado bajo condiciones controlables y permite la recolección de información cuantitativa, que puede ser empleada para asesorar, comparar, optimizar o predecir la termoformabilidad del material evaluado.

Teóricamente, la habilidad de un material para ser formador por el proceso de termoformado depende de la velocidad de cambio de la resistencia o del módulo a medida que varía la tasa de deformación y la temperatura¹. En realidad, en este proceso influyen una gran cantidad de propiedades del material tales como el peso molecular (MW) y su distribución (MWD), la cristalinidad, la densidad, la conductividad térmica y propiedades que dependen de la temperatura como la viscosidad y la elasticidad en fundido.

Por otro lado, a diferencia de otros procesos de transformación de plásticos, el termoformado emplea como materia prima una lámina plana de material previamente fabricada y no pellets. Por lo tanto, las condiciones de operación bajo las cuales se fabricaron las láminas y la forma de almacenarlas, influyen directamente en el proceso de termoformado.

Para casi todos los otros procesos, el uso adecuado de una prueba de MFR (Melt Flow Rate) puede ayudar al procesador a resolver muchos de los asuntos relacionados con el procesamiento y la calidad. Sin embargo este no es el caso del termoformado. Hasta el momento, no se ha encontrado una prueba fácil de usar y de entender, y repetible, cuando se requiere trabajar en un proceso de termoformado, especialmente cuando se va a evaluar un nuevo material o un nuevo proveedor. Existen varias pruebas², unas crudas, cualitativas, sencillas pero no repetibles; otras altamente analíticas, costosas y difíciles de comprender. A continuación se presenta un breve resumen de cada una de estas técnicas.

(1) Prueba Sag³: La cedencia es una medida que depende de la temperatura, de la resistencia a la tensión y de la geometría de la lámina. Este es el método más comúnmente usado, pues simula el creep en caliente sin aplicar cargas.

Esta prueba es útil en primera instancia, pero los resultados varían de acuerdo a las condiciones de la prueba, como por ejemplo, la forma y el peso de la muestra, la forma de calentamiento, el área superficial y el espesor. Es poco repetible y no da ninguna información acerca de la elasticidad en fundido o cómo reaccionarían las láminas calentadas a una carga externa, como en el caso del formado asistido con pistón. Un material puede tener una alta resistencia sag y no poder ser termoformado!!

(2) Pruebas de tensión/creep en caliente⁴ - A medida que la temperatura del polímero aumenta, su resistencia y módulo decrecen y la elongación aumenta. El termoformado se lleva a cabo en la meseta cauchosa, por encima de Tg. Entre más grande sea la meseta cauchosa, y mayor el módulo a la temperatura de formación, mejor será la termoformabilidad del material. De esta prueba, se puede obtener una curva de módulo de esfuerzo o tensión vs. deformación, a una temperatura determinada. Aunque esta prueba es cuantitativa por naturaleza, los ensayos son difíciles de realizar con algún grado de repetibilidad. A temperaturas elevadas, el estiramiento de las muestras se desplaza y se pueden presentar fenómenos de apretón-rasgado. En contraste, a tasas de calentamiento bajas, es posible la inducción de un recocido en el material, perdiendo así la historia de formación previa de las láminas.

Por otro lado, las pruebas de creep en caliente son más sensibles que las pruebas de tensión y la precisión se ve afectada por el calentamiento de la celda de carga. Finalmente, ninguna de las dos pruebas reproduce realmente el estiramiento biaxial a altas velocidades (>20 mm/sec), ni la transferencia de calor entre el molde y la lámina de plástico calentada, características comunes incluso en el más sencillo de los procesos de termoformado.

(3) Pruebas reológicas dinámicas: La prueba mecánica dinámica se emplea para determinar los componentes de elasticidad (G') y viscosidad (G'') como función de la temperatura⁵ o de la tasa de deformación. Esta prueba requiere poco material, es rápida y los resultados son altamente repetibles. Los datos proveen información acerca del MW, la MWD y dan una medida directa del módulo en función de la temperatura⁵. Viscosidades mayores que cero, distribuciones de peso molecular anchas y un alto módulo a la temperatura de formado, son condiciones favorables para el proceso de termoformado. Sin embargo, el equipo es costoso y se requiere personal entrenado para su operación y para la interpretación de los datos. Pero más importante, no refleja las variables involucradas en el proceso de termoformado.

El proceso de termoformado se puede simular a través de experimentos de relajación de esfuerzos⁶. En estas pruebas, se registran los esfuerzos a medida que estos se van relajando, en el tiempo. Se ha reportado que el tiempo de relajación aumenta de manera lineal con la resistencia sag5. Sin embargo, a temperaturas elevadas y a esfuerzos altos aplicados, se dificulta la interpretación de los datos de creep, ya que las velocidades de creep son muy altas. Además, la constante de relajación de esfuerzos varía con los parámetros seleccionados para la prueba.

(4) Prueba de tensión en fundido - En esta prueba el material se funde, se extruye en forma de fibra y la fibra se estira a velocidad constante. Se reporta la fuerza del fundido (cN) y la velocidad última a la cual rompió la fibra. Aunque es útil, esta prueba no es representativa del proceso de termoformado. Primero, el proceso se realiza por encima de la temperatura de fusión del material, mientras que el formado se realiza en la zona cauchosa. Así, toda la información del proceso de extrusión de la lámina se pierde durante la etapa de fundición. Además, las fibras son unidimensionales mientras que una lámina gruesa es tridimensional. Esta es una prueba sencilla, con resultados fáciles de interpretar pero no representa de manera apropiada el proceso de termoformado.

(5) Métodos numéricos⁷ - Existen herramientas computacionales que simulan de manera numérica el proceso de termoformado y predicen respuestas a variables de entrada. Sin embargo, estos métodos, como la mayoría de las simulaciones numéricas, se basan en suposiciones y simplificaciones, y requieren una gran cantidad de valores de las características del material, que en algunas ocasiones no se encuentran disponibles o su cuantificación es costosa. El flujo de superficie libre involucrado y la complejidad de la elasticidad en fundido que se presenta, hacen este modelo poco confiable.

En la ausencia de algún método sencillo, confiable y fácil de interpretar, se debe recurrir al proceso de termoformado en sí. Esto puede involucrar grandes cantidades de material, tiempo y dinero. Los resultados de una corrida pueden no siempre ser aplicables. El método que se propone a continuación supera muchos de estos obstáculos.

Equipo propuesto
Como se muestra en la Figura 1. , el equipo propuesto, es una versión en miniatura, completamente automatizada, de un equipo de termoformado real, e incorpora todas las unidades de las etapas básicas: calentamiento, formado y enfriamiento; y emplea una muestra de 4''x 4'' del ancho deseado. Esta muestra se pone entre dos placas aisladas y manualmente se coloca en el riel de carga.

Por medio de un software, es posible la selección de variables tales como el método de formado, la temperatura de formado, la tasa de calentamiento, el tiempo de calentamiento, la velocidad del pistón, la velocidad de enfriamiento, la fuerza máxima y la profundidad máxima. Una vez activado, la muestra se mueve hasta la unidad de calentamiento donde se calienta por arriba y bajo, y se monitorea la temperatura de la superficie. Cuando se alcanza la temperatura de superficie preestablecida y/o el tiempo de calentamiento preestablecido, la bandeja se mueve hacia la estación de formado. Un pistón equipado con un macho, desciende a la velocidad establecida previamente. La fuerza que se requiere para deformar la lámina calentada es medida continuamente por una celda de carga. Una interfase captura los datos de fuerza y los grafica como función de la distancia desde la superficie o en función del tiempo. Tan pronto como se alcanza el valor programado de fuerza máxima o de deformación máxima, se activa un ventilador que enfría la muestra durante el tiempo establecido. Al final de esta etapa, se retira el pistón y la bandeja que transporta la parte formada regresa a la estación de carga. La pieza se remueve de la bandeja y se inspecciona manualmente en búsqueda de defectos como adelgazamiento de la pared, rasgado, ampollas, marcas de quemaduras, perdida de brillo, etc. El espesor se mide de manera manual y se registra la distribución de espesor.

Tanto el equipo como el software permiten la selección de procesos de formado asistidos con presión, formado al vacío o formado al vacío asistidos con presión.

Algunas de las ventajas de este equipo sobre los otros métodos son:

1. Emplea una cantidad de muestra pequeña
2. El calentamiento del material es más rápido en condiciones controlables y se realiza tanto por arriba como por abajo
3. La medición de la fuerza se realiza de manera precisa con la celda de carga a medida que la muestra va perdiendo calor, tal y como sucede en un proceso de termoformado
4. Los cambios de la velocidad de formado pueden ser útiles para estudios de efecto del aumento de velocidad en las líneas de producción
5. El equipo permite cambiar la geometría y el material del pistón para simular el efecto de los materiales de las herramientas.
6. Una vez la pieza está formada, se enfría bajo condiciones controladas para observar efectos en encogimiento, contracción, variaciones de brillo, etc. Estas observaciones no se pueden realizar con los otros métodos
7. El equipo es fácil de usar y permite obtener datos cuantitativos, y repetibles en condiciones controladas.

Resultados de las pruebas
Para las pruebas se emplearon láminas extruidas de los siguientes materiales: poliamida, HDPE, ABS, PP, PC, PVC, PMMA, POM, HIPS, TPO reforzado y HMS-TPO. Las muestras se termoformaron empleando un pistón de 100mm de profundidad en forma de cono truncado de 30°, variando la velocidad del pistón y la temperatura de las láminas.

La Figura 2. muestra la relación entre la fuerza de formado y la distancia a 150°C para varios materiales. La fuerza requerida aumenta con el aumento de la fuerza en fundido. En los materiales que se endurecen con la deformación, se observa un aumento de la fuerza requerida al aumentar la distancia de formado, como en el caso del Acetal ( Figura 3. ). En el caso de materiales cristalinos, el aumento de la fuerza a mayores profundidades se debe al enfriamiento de la lámina a medida que esta entra en contacto con el pistón frío.

La Figura 4. muestra como la fuerza requerida para formar varios polímeros a las mismas condiciones de operación varía con la temperatura. Como se puede ver, en polímeros amorfos como el ABS, HIPS, PMMA, PVC y el PET-G, la fuerza decrece casi de manera lineal con la temperatura de la lámina. En el caso de los polímeros cristalinos, la fuerza no cae de manera lineal. En el caso del HDPE y el PP, se observa una etapa de cambio alrededor de su punto de fusión. En el caso del nylon y el PC, la fuerza aumenta cerca de su temperatura de transición.

La figura 5 ( A. y B. ) muestra el efecto de la temperatura en el formado de F-TPO reforzado y HMS-TPO. El HMS-TPO no presenta pérdida de la resistencia en fundido mientras que en el TPO reforzado esto si se presenta. La Figura 5c. muestra el efecto de la velocidad en las características de formado de ambos TPOs. A mayores velocidades, el TPO reforzado experimenta una pérdida de fuerza en fundido sustancial, mientas que el HMS-TPO muestra un pequeño cambio en el mismo rango de temperatura. Un aumento mayor de la fuerza a mayores profundidades, muestra un efecto de endurecimiento del material por deformación.

La Figura 6. muestra la resistencia a la tensión vs. la temperatura para los dos TPO a una velocidad de 50mm/min. EL HMS-TPO presenta mayor resistencia que el TPO reforzado.

Conclusiones
Los métodos de prueba convencionales no abarcan un rango amplio de las variables involucradas en el proceso de termoformado, ni siquiera en el más simple de los casos. Se propuso un nuevo dispositivo y se demostró su uso para la determinación de la termoformabilidad de materiales seleccionados. Ingenieros de proceso, personal de control de calidad, proveedores de materia prima e ingenieros desarrolladores de materiales pueden emplear este aparato sencillo y preciso, para estudiar materiales para termoformado y asuntos relacionados con procesamiento. Con más trabajo, se puede incorporar un modelo de predicción para tener configuraciones de proceso más eficientes.