Twinshot: la tecnología que superó las limitaciones de los métodos de coinyección

La tecnología Twinshot fue presentada oficialmente en la pasada feria K de Düsseldorf y hoy ya existen dos versiones que pueden manipular los dos materiales fundidos en un solo barril, con un motor y un molde convencional para uso con un solo componente. Hoy se pueden producir estructuras de dos materiales a manera de emparedadom, empleando un barril simple convencional de Twinshot Technologies. Este diseño simple permite reducir costos de producción y de depreciación del equipo. Tales factores lo hacen más asequible a una mayor cantidad de moldeadores por inyección.

La organización Bruderhof es un movimiento religioso de origen alemán, que tiene asiento en Estados Unidos, Inglaterra y Australia. Se caracteriza por abrazar principios de participación comunitaria aplicando tecnologías y métodos muy avanzados de capacitación de sus miembros y en sus actividades sociales e industriales. No es de sorprender, por lo tanto, que en una de sus empresas se haya gestado la tecnología de inyección denominada Twinshot. Community Enterprises LLC, de Rifton, New York, ha estado en operación desde los años ochenta fabricando artículos para ayudar a personas discapacitadas, una labor que también es desarrollada por otras empresas de la comunidad en el mundo. Esta compañía cuenta con ocho máquinas inyectoras entre 44 y 400 toneladas de fuerza en donde innovó un método de coinyección para el moldeo por inyección de piezas que antes fabricaba con un solo material. El éxito de esta nueva tecnología tiene una proyección tal hacia el futuro que Community Enterprises decidió formar la compañía Twinshot Technologies, TT, para mercadear este sistema de coinyección ya patentado. Un proponente de este trabajo fue el ingeniero Joseph McRoskey, creador de la antigua Co-Mack, una empresa especializada en moldeo por coinyección pero que ahora dirige su firma de consultoría JMJ Managment LLC, en Carlsbad, California, y a la vez es especialista tecnológico en TT. La concepción original de la tecnología se atribuye a Joel Thomson de Community Enterprises.

En principio el moldeo por coinyección es considerado como una técnica que puede ayudar a reducir los costos de producción si se combina en la misma pieza un porcentaje de un material de menor costo recubierto por otro de calidad superior y que se expone en la superficie. El material de menor costo puede ser una resina reciclada, fuera de especificaciones, sin pigmento, reforzada o espumada. La resina de calidad superior puede aportar un acabado especial, como, por ejemplo, una superficie de tacto suave o con acabados cosméticos especiales.

Los métodos tradicionales de coinyección han sufrido limitaciones relacionadas con el costo de la maquinaria y con el desempeño del proceso. Normalmente el costo de la maquinaria de coinyección ha sido alto debido a que ha requerido por lo menos dos máquinas inyectoras montadas en un mismo chasis. Este factor por sí solo ha impedido que la técnica se difunda ampliamente en la industria del moldeo por inyección de productos plásticos, como lo explican representantes de la compañía. Por otro lado, la configuración de las máquinas tradicionales de coinyección hacen que la operación sea compleja, dificultándose la sincronización de los equipos para introducir las resinas respectivas en el molde.

Sin embargo, puede afirmarse que el sistema Twinshot que Thomson desarrolló es uno de coinyección en el sentido más estricto de la palabra. Y al mismo tiempo demostró que este proceso no necesariamente está reservado por su costo a unos pocos procesadores que fabriquen productos de alto desempeño. De hecho, ninguno de los moldes empleados hasta el momento en el proceso Twinshot fue diseñado específicamente para coinyección.

Hoy en día la tecnología Twinshot está disponible en dos versiones. La más moderna, Twinshot Versión II, cuenta con un único tornillo, así como con un único barril. La proporción de materiales extruidos es controlada por medio de un alimentador de resina externo montado sobre uno de las tolvas de alimentación. El tornillo es de dos etapas y en cierto sentido se asemeja a un tornillo con venteo. La resina fundida en la primera etapa evita mezclarse con la de la segunda etapa fluyendo a través de un canal central de esta última etapa. El nuevo diseño elimina la necesidad de instalar un embrague especial para accionar los dos tornillos de manera independiente, como si ocurre en la primera versión. Este diseño puede ser instalado en cualquier máquina de inyección convencional sin necesidad de modificar el molde.

Community Ënterprises emplea este sistema para fabricar una silla para el bañado de discapacitados. La silla, modelo Blue Wave Bath, está fabricada con soportes de ABS coinyectados con un centro de ABS espumado proveniente en su totalidad de material reciclado de la industria electrónica. Este centro es encapsulado por la resina de ABS virgen, la cual es plastificada en la segunda etapa del tornillo. Las partes de la silla que se fabrican en PP se moldean por inyección asistida con gas. La presión en la prensa requerida para hacer las piezas de ABS es un 30% de la que se empleaba cuando el proceso era de monoinyección. Los productos se obtienen ahora con un menor grado de deformaciones, sin hundimientos y sin rebabas. Otras ventajas de la segunda versión son la recuperación más rápida del sistema debido a que las dos resinas se plastifican simultáneamente; la posibilidad de instalar un rango más amplio de tamaños de tornillos, particularmente en el rango de los tornillos de menor diámetro; un menor costo de la inversión de capital, ya que se requiere emplear un solo tornillo, y la posibilidad de procesar un rango más amplio de combinaciones de resinas, usando perfiles independientes de temperaturas en los tornillos.

La primera versión corresponde al invento original y consta de un tornillo insertado dentro de otro tornillo hueco en el centro. Cada tornillo procesa independientemente una resina diferente y las dos corrientes se almacenan en una piscina al frente de los tornillos, donde uno de los materiales ha entrado primero y el otro lo ha hecho en segundo término. Enseguida, el material almacenado se inyecta en la cavidad mediante un envión axial de los tornillos. Así como en la segunda versión, en este caso la máquina consta de un sólo barril, pero tampoco hay necesidad de instalar bandas de calentamiento y termocuplas adicionales. Tampoco se deben instalar uniones adicionales en el barril para equilibrar las dos corrientes de resina fundida. Por otro lado, al igual que en la segunda versión, la válvula de inyección es única y no es necesarion emplear bombas hidráulicas adicionales para manejar individualmente unidades independientes de inyección. No se requieren acumuladores, computadores o equipos externos especiales.

En la concepción original de la idea de la tecnología de Twinshot, se cuenta con dos tornillos concéntricos los cuales procesan una resina diferente cada uno de ellos. En este sistema, se cumplen todos los principios de la coinyección de materiales.

Thomson afirma que no se requiere un espacio extra en la planta para acomodar el proceso y que el consumo de energía es menor comparado con una máquina de coinyección tradicional. Por otro lado, la nueva tecnología puede ser aplicada para hacer piezas más pequeñas en prensas también de menor tamaño. Community Enterprises ha probado exitosamente el proceso en una prensa de 40 toneladas.

En las dos versiones se tiene la ventaja de que se pueden eliminar los problemas de ajustes de los tiempos de inyección de dos resinas de manera coordinada, ya que en este caso se tiene una sola unidad de inyección. También, el perfil de velocidad de inyección es único para los dos materiales. Los problemas mencionados son importantes cuando las cantidades a inyectar son pequeñas, las velocidades de inyección altas y los tiempos de llenado corto. Adicionalmente, los distribuidores de flujo empleados en la coinyección tradicional pueden generar caídas importantes de presión, velocidad y control del tamaño de inyección. En la nueva tecnología no hay necesidad de emplear distribuidores de flujo y la configuración de la boquilla es completamente estándar.

Conversión de una máquina estándar
En el momento, Community Enterprises es el único usuario activo de la tecnología Twinshot; la cual está instalada en una máquina de 85 toneladas Milacron Vista, fabricando la silla para baño mencionada anteriormente. Para modificar una máquina estándar se requiere trabajar en cuatro áreas de la prensa: el tornillo, motor y embrague, área de alimentación del barril y la válvula cheque.

Es necesario instalar un puerto alimentación no enfriado para permitir la entrada del segundo material, ya sea al tornillo interior o a una de las etapas adicionales del tornillo. De acuerdo con la empresa, la segunda tolva de alimentación puede contar con un secador o un cargador en cualquier configuración deseada. La máquina de 85 toneladas transformada tiene ahora un sistema de la primera versión que consiste en un tornillo exterior de 50 mm y una longitud L/D de 18:1, fabricado con acero de herramientas H 13. La luz entre el tornillo externo y el externo corresponde a las normas convencionales de diseño. Tanto el tamaño del barril como el diámetro interno del tornillo exterior son constantes en su recorrido; esto permite mantener la estabilidad en la capacidad y velocidad de inyección, según fuentes de la compañía.

El espesor de pared del tornillo exterior varía entre 6 mm en la zona de alimentación a 10 mm en la zona de dosificación del mismo. Estas dimensiones dan robustez al diseño y le permiten soportar las presiones desarrolladas en el proceso de extrusión. El tornillo interno es muy pequeño, de solamente 25 mm de diámetro, con una longitud L/D mayor, 30:1. La geometría de los tornillos es convencional, aunque es posible emplear tornillos tipo barrera y elementos especiales de mezclado. En este caso, un solo grupo de bandas de calentamiento mantiene la temperatura en los dos tornillos ya que el calor fluye con facilidad hacia el tornillo interno.

Como se mencionó antes, cuando los tornillos son concéntricos se debe adaptar un sistema de embrague que activa y desactiva la rotación del tornillo exterior. Cuando el embrague está en la posición abierta, el tornillo interno rota mientras que el externo no. Cuando se cierra el embrague, se activa el funcionamiento del tornillo externo mientras que el interno se detiene, en el sentido que rota a la misma velocidad del externo.

Los materiales fundidos se acumulan al frente de la combinación de tornillos cuando cualquiera de ellos está plastificando material. El operador puede variar el contenido de cada resina programando el embrague que activa los tornillos. El proceso puede ser diseñado para invertir el orden de los materiales en la estructura inyectada, de tal manera que la resina que está en el centro pueda ser llevada al exterior y viceversa.

La compañía ha probado diferentes formas de válvulas cheque para optimizar un diseño que permita llenar los materiales en el espacio de acumulación siguiendo una distribución determinada. En un punto crítico se logra colocar más material en el centro de la cavidad y de manera uniforme. El paso del material hacia la cavidad se hace mediante un patrón de flujo laminar, de tal manera que la resina acumulada en el frente forma la piel de la pieza moldeada, mientras que el material localizado en la parte posterior llena el centro. De esta forma, todos los principios de coinyección siguen vigentes.

Ahorros en costos
El ahorro en los costos de la materia prima es probablemente el beneficio principal de cualquier tecnología de coinyección. El proceso Twinshot puede reemplazar entre 25 y 35% del peso de un producto con materiales de menor costo. Los ahorros también se pueden lograr mediante la introducción de materiales espumados que en el proceso se recubren con una piel de acabado estético.

Otra aplicación de importancia es el uso de materiales de refuerzo que reemplazan a los pigmentos en el centro de la pieza. El costo del refuerzo puede ser compensado con el pigmento reemplazado. Un beneficio adicional en este caso, es el refuerzo de la pieza.

Community Enterprises considera la baja inversión inicial es un aspecto importante en el paralelo de comparación con la tecnología tradicional. El incremento en el costo de una máquina nueva adaptada con la tecnología, e incluyendo la licencia tecnológica, será de 25% aproximadamente en comparación con una máquina de un solo material. La reconversión de un equipo ya existente puede costar un 30% del valor de un sistema de coinyección tradicional.

Limitaciones del proceso
Como en cualquier proceso de coinyección, la tecnología Twinshot está adaptada a piezas de geometría simple fabricadas en moldes de pocas cavidades. El balance del llenado es muy importante y en este caso se han logrado productos con secciones tan delgados como 0,05 pulgadas y con centros conteniendo más del 50% del material de relleno. Hay unas pocas cosas que el proceso Twinshot no puede hacer y que sí se pueden lograr con las máquinas convencionales de dos inyecciones. No puede hacer sobremoldeo de una manera selectiva y no pude operar con sistemas de colada caliente.