Diseño y construcción de un molde para la inyección de la tobera que propulsa un avión de juguete
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(2) CONTENIDO PAG. INTRODUCCION. 5. OBJETIVOS GENERALES. 6. 1. PIEZA MOLDEADA. 7. 2.1 MATERIAL. 7. 1.2 Propiedades mecánicas del material.. 8. 1.2.1 Resistencia a la tensión y el Modulo de elasticidad. 8. 1.2.2 Capacidad de absorber energía en impacto.. 9. 1.2.3 Densidad del material.. 9. 1.3 Características de inyección y costo.. 9. 1.4 Geometría.. 9. 1.4.1Volumen de la pieza.. 10. 1.4.2 Ajuste entre las dos partes.. 10. 1.4.3 Tolerancia.. 10. 2.
(3) 1.4.4 Contracción térmica.. 10. 2. INJECTORA. 12. 2.1 Restricciones de la maquina. 12. 3. TIPO DE MOLDE. 13. 3.1 Inyección sumergida.. 13. 3.2 Corredores.. 13. 3.3 Expulsores.. 14. 3.4 Machos.. 15. 3.5 Insertos.. 15. 3.6 Identificación de las piezas.. 16. 3.7 Guías.. 16. 3.8 Sistema de refrigeración. 4. MOLDE. 17. 4.1 Materiales.. 17. 4.2 Tornillos. 17. 3.
(4) 4.3 Tratamientos térmicos: templado. 18. 4.4 Tolerancias.. 18. 4.5 Ajustes.. 19. 5. CICLO DE INJECCION. 20. BIBLIOGRAFIA. 22. MEMORIA DE CALCULOS. 24. 4.
(5) INTRODUCCIÓN. El diseño del molde para la manufactura de una tobera que aprovecha el aire comprimido dentro de una botella es tan solo parte de un proyecto que involucra varias etapas y campos de investigación. El proyecto completo consiste en diseñar y desarrollar un avión de juguete que debe ser ensamblado por un niño.. Para que el avión de juguete sea utilizado por un niño debe cumplir con varios requisitos para poder hacer al proyecto viable. Dichas características que debe cumplir el juguete terminado se harán extensivas a cada una de las partes y etapas que componen el proyecto. Para que un juguete que será entregado a un niño por un costo mínimo se deben ser tenidos en cuenta los siguientes aspectos; Primero que todo, el juguete debe ser funcional, y si en nuestro caso se trata de un avión este tendrá que volar, y deberá tener un desempeño lo suficientemente bueno como para que el niño se entusiasme y siga consumiendo, que en ultimas es el objetivo principal del juguete. El juguete debe ser seguro; por ninguna razón se puede poner en riesgo la integridad o seguridad del niño. El juguete debe ser duradero, no se puede pretender que por un precio tan bajo se pueda producir un juguete que dure mucho tiempo o que sus componentes sean altamente confiables, pero si cierta durabilidad tal que por un precio bastante bajo se pueda proporcionar un par de horas de diversión a un niño.. 5.
(6) OBJETIVOS GENERALES. Este proyecto consiste en diseñar un molde de inyección con el que se logre manufacturar la tobera que propulsa un pequeño avión de juguete. Las toberas que sean manufacturadas deben cumplir con ciertas características, como son costos muy reducidos por unidad, tolerancias geométricas que garanticen una consistencia en el desempeño de las mismas y por último que no presenten ningún tipo de riesgo para el consumidor, pues estos son niños.. El molde que diseñado esta planeado para utilizarse en la inyectora Van Dorn que la Universidad de los Andes tiene en el CITEC. Por lo tanto se deben tener en cuenta las restricciones que ofrece la misma.. 6.
(7) 1. PIEZA MOLDEADA. 1.1 Material: para la escogencia del material se debe tener en cuenta varias características del material que afectaran factores clave de la pieza terminada, como son: desempeño de la pieza en uso, costo y facilidad para su procesamiento además del nivel de complejidad del molde requerido. El primer filtro que se aplica para la selección del material es la temperatura de transición del mismo, debido a que la pieza es por donde se descarga una cantidad de aire a presión contenida en una botella plástica. Esta descompresión se hace en un periodo de tiempo relativamente corto, por lo tanto se sabe que la temperatura de la pieza en operación alcanza temperaturas que pueden estar por debajo de los 0º C. El requerimiento principal del material es que su temperatura de transición este por debajo de los 0º C y así poder garantizar la estabilidad de las propiedades mecánicas de la pieza a cualquier temperatura del rango en que opera.. En el siguiente cuadro se postulan varios materiales que pueden ser una posible opción para la elaboración de la pieza, confrontados con algunas propiedades de importancia para la fabricación de la pieza y valorados de acuerdo a su nivel de importancia para este caso especifico.. 7.
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(9) separado que tienen que encajar a presión por interferencia, y en caso de tener un modulo de elasticidad demasiado bajo, las dos piezas no se van a aferrar con suficiente firmeza.. 1.2.2 Capacidad de absorber energía en impacto.. Debido a que seguramente el avión. de juguete se estrellara en numerosas ocasiones, es necesario que la pieza pueda resistir impactos sin quebrarse o romperse, aun si la temperatura de la pieza es cercana a los 0*C.. 1.2.3 Densidad del material.. La densidad del material es importante ya que influye. directamente en el peso total de la pieza, pues el volumen es constante y pre-establecido, por lo tanto entre menor densidad tenga el material mas liviana será la pieza.. 1.3 Características de inyección y costo.. Para el proceso de inyección es importante la. temperatura de fusión, pues si la temperatura de fusión es baja el costo del proceso será más barato, por otro lado esta el costo del material por unidad de volumen o peso, que es realmente el valor que afecta directamente el costo de la pieza.. 1.4 Geometría.. Uno de los factores mas importantes para definir y establecer los. parámetros de inyección es el espesor máximo de la pieza inyectada, el máximo espesor es el punto critico de la pieza, es el lugar de la pieza donde la solidificación del plástico va a tardar mas tiempo, y en caso de que no establecer bien los todos parámetros del proceso pueden aparecer arrugas y defectos. El espesor máxima de las piezas inyectadas en nuestro caso es de 4.5 mm.. 9.
(10) 1.4.1Volumen de la pieza. Es importante establecer el volumen de material requerido. para la elaboración de la pieza, debido que el limite máximo de la maquina es de 8oz. El volumen de la pieza moldeada es: 3.199 cm3 y 4.84cm3 la complementaria que se multiplica por dos cada una, y en total da un volumen de 0.54oz.. 1.4.2 Ajuste entre las dos partes.. El ajuste debe ser de interferencia, debido a que estas. tienen que encajar a presión. El ajuste adecuado es del tipo LN3 en donde vamos a utilizar una interferencia máxima de 0.01 mm.. 1.4.3 Tolerancia.. Debido a que el desempeño de la tobera depende principalmente del. espacio que queda entre las dos piezas, por donde pasa el aire a presión que produce el empuje del avión. La diferencia de diámetros por donde pasa el aire no pueden variar e mas de 0.001 mm. De todas formas el diseño de la tobera esta concebido para que de acuerdo a la distancia entre las dos piezas se regule la diferencia de diámetros debido a que son superficies cónicas. Por lo tanto la tolerancia de las demás dimensiones puede ser de ±0.1mm sin perder buen desempeño de la pieza.. 1.4.4 Contracción térmica.. Es un hecho que el plástico ocupa un mayor volumen. cuando esta fundido, cuando se solidifica hay una contracción volumétrica que afecta el volumen final de la pieza frente al las dimensiones dadas por el molde. Hay varias formas de controlar la contracción térmica de la pieza, y permiten ajustar las dimensiones finales de la pieza virtualmente a cualquier valor dentro de un rango. Las variables que permiten controlar la contracción térmica son: temperatura del molde, presión de inyección y la. 10.
(11) temperatura del material y la variable que mas influye sobre la contracción térmica del material es la presión de inyección. Para reducir al máximo la contracción del material se cuadran las variables de tal forma que: a mayor presión de inyección; a mayor temperatura del material, y menor temperatura del molde menor es la contracción.. 11.
(12) 2. INJECTORA. 2.1. Restricciones de la maquina. Máximo Volumen de inyección: 8 oz. Lo requerido para la inyección de la tobera: 0.54 oz Prensa: 125 toneladas en cerrado y 4 toneladas en apertura. La fuerza que hace el plástico fundido cuando entra al molde a 5000 psi: 8 toneladas. Temperaturas: temperatura máxima 400ºC. La temperatura de fusión del HDPE es de 125ºC.. 12.
(13) 3. TIPO DE MOLDE. 3.1 Inyección sumergida.. Es un tipo de inyección en donde las compuertas son. taladradas en ángulo desde el corredor hasta la cavidad, esto produce un borde con filo que separa de forma muy limpia los corredores de inyección de la pieza moldeada. Con este tipo de compuerta lo que se logra es reducir un paso en la manufactura de la pieza, la pieza sale separada de los corredores de una vez.. 3.2 Corredores.. El área seccional de los corredores es importante en la medida que se. quiere evitar la perdida de calor a través de estos, lo ideal seria que la temperatura del plástico inyectado no bajara en los corredores sino hasta que llegue a las cavidades y allí se solidifica. En condiciones reales el plástico empieza a perder calor y a enfriarse desde el momento en que hace contacto con el molde que esta mas frió. Se pueden considerar varios tipos de área seccional que tienen ventajas y desventajas. Redondo, es el perfil con menor área superficial por unidad de longitud, el problema esta en una adecuada manufactura y lograr una perfecta coincidencia de las dos mitades en cada una de las dos placas. Semicircular, aunque el área superficial por unidad de longitud es un poco mayor su manufactura es simplemente la mitad de lo que seria manufacturar un corredor circular, con la ventaja a favor de no tener que coincidir las dos mitades. Rectangular, es el tipo de corredor más sencillo de fabricar, aunque su eficiencia es bastante reducida en términos de transferencia de calor y puede llegar a tener problemas en cuanto a la expulsión del material solidificado a lo largo de los corredores.. 13.
(14) Trapezoidal, es una versión mejorada del corredor rectangular, aunque la eficiencia en términos térmicos no es mejor, aunque si se eliminan los problemas de expulsion del material. Lo ideal de los corredores es que sean lo mas pequeños posibles para ahorrar material, pero deben ser lo suficientemente espaciosos como para que no ocurra solidificación antes de que se llenen la cavidades. De acuerdo a lo anterior la mejor elección es corredores de tipo semicircular, con un diámetro de 3mm que son aproximadamente un 10% del volumen de las cavidades. Según la experiencia transmitida por los autores de libros especializados esta es una buena proporción que da excelentes resultados.. 3.3 Expulsores.. En el molde en referencia son necesarios dos tipos de expulsores, o. mejor: expulsores para las piezas moldeadas y para el material acumulado en los corredores y las compuertas. En el caso de los expulsores de la pieza se construyen de forma cilíndrica que abrazan al macho que da forma a la pieza. Esta forma de construcción tiene la gran ventaja de que hace posible la elaboración de todas las piezas en torno, lo cual reduce sustancialmente los costos, evitando así procesos de manufactura sofisticados y complejos como electro erosionado, o remoción de material químicamente. Por otro lado hace posible sustituir cualquier pieza que se desgaste y cause problemas de calidad en la pieza moldeada. Como ya se menciono, hay que implementar expulsores para permitir desalojar el material acumulado en los corredores, estos expulsores son un poco mas sencillos y son simples varillas guiadas a través de unos orificios que atraviesan la placa móvil del molde.. 14.
(15) 3.4. Machos.. Buscando las mismas ventajas anteriormente mencionadas de los. expulsores y complementando su función los machos son barras cilíndricas que van acopladas a las placas exteriores que sostienen y dan estructura al molde. Tanto los expulsores como los machos se instalan entre dos placas que dejan una cavidad cilíndrica entre ellas una vez se han unido, en dicha cavidad se aloja el borde del macho o expulsor, según sea el caso.. Devolución de los expulsores se hace por medio de unas barras que se estrellan con la placa fija al momento de cerrar el molde, dicha barra que hace parte de la placa fija mueve la placa que contiene a todos los expulsores y así posiciona nuevamente a la placa de expulsores en su lugar. Se evita el eso de resortes que comparado con una simple barra de acero no son tan confiables y tienen una vida limitada.. 3.5 Insertos.. En la placa fija se insertan unas piezas que dan la forma de la pieza en el. molde, esto se hace por dos razones; es mas barato tener un suplemento removible que se puede fabricar en un torno, en vez de tener que maquinar directamente en el molde y la segunda razón es que se puede sustituir o modificar con mayor facilidad las piezas gastadas. Son básicamente los mismos argumentos expuestos anteriormente para el caso de los machos y expulsores. 3.6 Identificación de las piezas.. Las piezas van marcadas en parejas de números. Es. decir que siempre las piezas vecinas en contacto deben coincidir con el mismo numero y letra teniendo en cuenta que deben estar ambos en el mismo sentido y dirección.. 15.
(16) Adicionalmente existe una secuencia lógica que facilita el ensamblaje y armado del molde completo. Para llevar este orden es necesario empezar armando los números que corresponden a las piezas y sub-ensambles identificados con los números menores.. 3.7 Guías: tienen una longitud de 25mm con un taperado de 60º y una ranura helicoidal con un paso de 25mm/ vuelta que permite el desalojo de cualquier residuo dentro de la cavidad de la guía y a la vez una perfecta lubricación de esta.. 3.8 Sistema de refrigeración: Consiste en dos líneas internas que atraviesan la placa fija. Es una tubería de 10mm de diámetro por donde se introduce agua para regular la temperatura del molde. El reynolds que se debe manejar entre la tubería del agua debe estar por encima de 3000, es decir en la región turbulenta del flujo, esto con el fin de tener la mayor disipación del calor, y de esta forma poder hacer los ciclos de inyección lo mas cortos posible. La geometría del sistema es fija, y en caso de querer bajar la temperatura del molde, lo que se debe modificar es su temperatura.. 16.
(17) 4. MOLDE. 4.1 Materiales.. Pines Expulsores hechos en acero níquel cromo templado y endurecido. con una dureza de 54 – 56 RC Placas sujeción: acero medio, para las placas que van contra las uñas de la inyectora. Guías: acero níquel cromo endurecido dureza de 54 – 56 RC Cavidades y machos: acero inoxidable serie 440- 420 tratamientos térmicos a 50 RC Placas: AISI 4135 tratamiento térmico dureza 40 RC resistencia a la tensión 129 a 155x103 psi,. Una excelente opción es una acero P-20 bonificado que ofrece características. similares.. 4.2 Tornillos.. Sujeción de las placas superiores e inferiores mediante tornillos 8mm x. 1.25 acero grado 8.8. Estos tornillos son de cabeza hueca hexagonal, comercialmente conocidos como Halen o Bristol. Eventualmente pueden ser utilizados tornillos de 5/16 de pulgada, teniendo en cuenta el diámetro del agujero y su respectiva rosca. El tornillo esta alojado en una cavidad que deja la cabeza a nivel con la placa y el agujero del tornillo es pasante a través de los soportes laterales, solo atornilla en las placas donde van alojados los insertos.. Se utiliza un segundo tipo de tornillo. Es un tornillo con cabeza avellanada de 5mmx 0.8 elaborado en cero inoxidable A-2 (18-8). Estos tornillos son utilizados para sujetar las dos. 17.
(18) placas que sujetan a los expulsores, y también para tener una sujeción adicional en las dos placas que sujetan los machos. Estos tornillos son avellanados con el propósito de quedar “escondidos” en la misma placa.. 4.3 Tratamientos térmicos: templado.. Todos los tratamiento térmicos que se utilizan son. los de templado a una dureza entre 40 y 56 RC, algunas piezas es necesario rectificarlas después del temple, debido a que puede ocurrir cierta deformación en el proceso de templado que podría afectar el desempeño del molde.. 4.4 Tolerancias.. Teniendo cuenta que el diseño del molde esta dado tal que la. fabricación del molde y cada uno de los componentes sea por medio de procesos de maquinado, tales como taladrado, fresado y torneado, se pueden obtener piezas bastante precisas. En general las tolerancias que se pueden manejar de acuerdo a lo diferentes procesos de maquinado se listan a continuación en la tabla 4.1.. 18.
(19) Tabla 4.1 Tolerancias en los procesos de maquinado. PROCESO TOLERANCIA TALADRADO hasta 6mm Hasta 25mm. tolerancias +0.08, -0.03mm +0.13, -0.05mm. FRESADO. ±0.08mm. TORNEADO. ± 0.05mm. En general las tolerancias permisibles son: Desalineación entre las dos mitades máximo 0.06mm y mínimo 0.03mm, Concentricidad 0.025mm, Pines expulsores +0.00 y -0.025mm. Los agujeros +0.0025mm y +0.01mm. Esto da una holgura máxima de +0.035mm lo cual no es un espacio suficiente para que fluya material, sin embargo es espacio suficiente para ventilación.. 4.5 Ajustes.. Guías son hechas 0.025mm por debajo del diámetro nominal con una. tolerancia +0.00 -0.01mm. Los agujeros son hechos 0.01mm por encima del diámetro nominal con una tolerancia de +0.0 y -0.01mm. Esto da una holgura máxima de 0.063mm y mínimo de 0.03mm. En la práctica estas holguras nunca se dan debido a que son cuatro guías que necesariamente tienen una ligera desalineación en sus centros.. Machos que van contra superficies sólidas deben tener una interferencia de 0.025mm que luego de varias horas trabajando se acomodan y la interferencia cambia.. 19.
(20) 5.1 CICLO DE INJECCION. El tiempo del ciclo de inyección depende básicamente de dos variables modificables una vez se han fijado las geometrías y los espesores de la pieza que se va a moldear. Una de las variables es el tipo de material que se inyecta, y la segunda variable es la temperatura del molde. Eventualmente cualquiera de estas características se pueden modificar y así mismo cambia sustancialmente el tiempo de ciclo. Por ejemplo teniendo nuestro molde a 60ºC y utilizando HDPE el tiempo de solidificación será de 26 segundos, pero si cambiamos el material por polipropileno (PP) entonces el tiempo para el mismo periodo de ciclo estimado será de 78 segundos. Si utilizamos HDPE pero bajamos la temperatura del molde a 10ºC la duración del ciclo de solidificación será de 3.98 segundos aproximadamente. Teniendo en cuenta que el factor de mayor importancia para la producción de la pieza y puesta a punto de la maquina es el económico, debemos buscar un equilibrio entre el numero de piezas que se producen por hora y la cantidad de energía consumida para la elaboración de la pieza. Si se quiere producir un número grande de piezas por hora, es necesario pasar el agua para refrigerar el molde por un refrigerador, y poder mantener el molde a una temperatura baja. Por otro lado la temperatura y la presión de inyección deberán ser bastante más altas para tener menor viscosidad y a la vez mayor presión que permitan un llenado más rápido de las cavidades antes de solidificarse. Si por el contrario no existe tal premura para la fabricación de esta cantidad de piezas entonces podemos producir menor cantidad de parejas por hora teniendo el molde. 20.
(21) refrigerado con agua que simplemente intercambia calor con el ambiente por medio de un mecanismo pasivo. De esta forma la cantidad de piezas producidas es bastante menor, pero igualmente los equipos y la energía consumida es muchísimo menor que en el primer caso.. Se debe anotar que estos tiempos presentados anteriormente son únicamente los tiempos de solidificación y enfriamiento. A estos periodos de tiempo se deben agregar los periodos que toma el cerrado del molde, el llenado, y la apertura del molde, de esa forma se obtiene el tiempo total del ciclo.. 21.
(22) BIBLIOGRAFIA. CLIFFORD L. WEIR. Introduction to Injecton Molding. Ninth edition. Brookfiel, Connecticut: Society Of Plastics Engineers,1975. DAVIS CHARLES C. Jr. Plastics Mold Engineering. Revised Edition. New Cork: DuBois J.H. 1965.. DYM B. JOSEPH, Injection Molds and Molding, A practical manual. Second edition. New Cork: VAN NOSTRAND REINHOLD, 1978.. GLANVILL A. B. and DENTON E. N. Injection-Mould Design Fundamentals. Third Printing. New York.: Indutrial Press Inc-Machinery Publishing CO. 1965. GROOVER MIKELL P. Fundamentos de Manufactura Moderna, Materiales, procesos y sistemas. Mexico Prentice-Hall Hispanoamericana: 1996. IRVIN I. RUBIN. Injection Molding. Theory and Practice. 1972. IRVIN I. RUBIN. Materiales Plasticos, Propiedades y Aplicaciones. Mexico: Robinson Plastics Corporation, 1995. 22.
(23) SHIGLEY JOSEPH E. and MISCHKE CHARLES R. Mechanical Engineering Design. Sixth Edition. Boston: Mc Graw Hill, 2001. 23.
(24) MEMORIA DE CALCULOS. Tornillos: Sujeción de las placas superiores e inferiores. En el caso de la placa fija es necesario tener en cuenta la fuerza que hace la boquilla contra la placa que esta agarrada a la maquina inyectora. La fuerza que hace la boquilla es la necesaria como para que el plástico no se escape por la unión de esta contra la pieza que hace contacto contra la placa. La fuerza necesaria para retener la placa es de aproximadamente 1000 lb; dividiendo esta carga en 4 tornillos que la sustentan, tenemos una carga de aproximadamente 250 lb / tornillo. Ahora: si tenemos en cuenta que hemos seleccionado tornillos tipo A 325 (grado 5), cuyo esfuerzo de fluencia es de 85 ksi. Si tenemos en cuenta que el 75% de la tensión asumida por el tornillo es de precarga y el 25% es la carga que realmente se debe contener. De acuerdo con estos cálculos el diámetro estimado para asumir las cargas es de 3mm. Para el cálculo del factor de seguridad tenemos. Este es la resistencia final sobre el esfuerzo de trabajo. Con eso tenemos un factor de seguridad de 6.75 en el peor de los casos.. Para calcular los tornillos del lado móvil del molde lo hacemos teniendo en cuenta que en un momento dado el plástico penetre las partes del móvil y este se quede pegado. Entonces asumimos la fuerza máxima que puede hacer la prensa de la inyectora para abrir el molde que es de 4 toneladas, dividido en 4 da 2000 lb por cada tornillo.. 24.
(25) Con lo que hacemos el mismo calculo anterior y nos da que se deben utilizar tornillos de 8.8 mm de diámetro. El factor de seguridad es de 1, lo cual es suficiente si tenemos en cuenta que estamos llegando al límite de la capacidad de la inyectora.. Un elemento de gran importancia son los soportes laterales, debido a que deben soportar la fuerza total de la prensa de la inyectora y bajo ninguna circunstancia se debe deformar. Las dimensiones de cada soporte son de 30mm x 150mm, lo que da en in 7 pulgadas cuadradas, y 125 toneladas 275.390 lbf, lo que os da un esfuerzo de 19.7 ksi por cada soporte. Lo que da un factor de seguridad de más de 4. PRENSA: Un primer cálculo que se debe hacer para saber si la inyectora tiene la capacidad de moldear las piezas es calcular la fuerza necesaria para mantener las dos placas unidas mientras entra el plástico a presión. Primero se calcula el área seccional expuesta entre las dos placas, incluyendo los corredores de llenado. Con lo que se tienen 3.2 pulgadas cuadradas. Y si se inyecta a 5000psi entonces la fuerza resultante es de 8.2 toneladas, si la inyectora puede soportar 125 toneladas entonces las condiciones son mas que optimas.. Tiempo de solidificación. La ecuación que modela el tiempo de solidificación es: tiempo = −t. ⎡π ⎛ ⎞⎤ − ln ⎢ ⎜ T x T M ⎟⎥ 2πα ⎢⎣ 4 ⎜⎝ T C − T M ⎟⎠⎥⎦ 2. Donde t es el espesor de la pieza en pulgadas, en este caso es de 4.5mm = 0.17 in TM= es la temperatura del molde en ºC. 25.
(26) TC= es la temperatura de fusión del material en ºC TX= es la temperatura de distorsión del material en ºC α = difusividad térmica del material en in3/seg. Sistema de refrigeración.. Se deben manejar números de reynolds de aproximadamente 4000. Si tenemos un diámetro de tubería de 10mm.. Re =. ρUD µ. Q = vA. Si se conoce el diámetro de la tubería, entonces su área, si se tiene la velocidad también el caudal, que es lo que importa en este caso. Para un reynolds de 4000, con temperatura a 20º C se tienen velocidades de 0.46 m/seg, lo cual arroja un resultado de 2.16 lt/minuto.. 26.
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