Adecuación de la inyectora Boy 15, modelamiento del proceso de inyección y diseño de un proceso de moldeo por inyección de polvos de hierro

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(1)ADECUACION DE LA INYECTORA BOY 15, MODELAMIENTO DEL PROCESO DE INYECCIÓN Y DISEÑO DE UN PROCESO DE MOLDEO POR INYECCIÓN DE POLVOS DE HIERRO. AUTOR: ANDRES FELIPE NIETO ALBARRACIN 200314252. PROFESOR ASESOR: JAIRO ARTURO ESCOBAR GUTIERREZ PhD Dr. EN INGENIERIA MECÁNICA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTÁ, JULIO DE 2008 1.

(2) Agradecimientos A Dios por permitirme realizar este proyecto. A mi familia por brindarme la oportunidad y los recursos necesarios para terminar satisfactoriamente este proceso. También agradezco a mis amigos y amigas, en especial a Adriana Botero y Alejandro Argüello, los cuales me acompañaron incondicionalmente durante esta etapa de la vida. Agradezco a Camilo Cruz, estudiante de doctorado, por realizar en Francia las simulaciones que se utilizaron en este proyecto en el programa MoldFlow V. 6.1 versión académica. Al profesor Jairo Arturo Escobar por darme la oportunidad de hacer parte de su grupo de investigación en el grupo de materiales particulados de la universidad de los Andes. A Diego Gómez, Jarrett Smith, Juliana Serna y a todas las personas que me ayudaron durante la realización del proyecto.. 2.

(3) Índice 1. Introducción. 5. 2. CAPITULO 2: Marco teórico. 8. 2.1. Moldeo de polvos por inyección MPI. 8. 2.1.1. Introducción y estado del arte. 8. 2.1.2. Feedstock. 10. 2.1.2.1.. Relación polvo ligante o carga sólida. 10. 2.1.2.2.. Proceso de mezcla. 12. 2.1.2.3.. Temperatura de la mezcla. 15. 2.1.2.4.. Peletización o granulación del feedstock. 17. 2.1.2.5.. Reología. 18. 2.1.3. Polvos. 18. 2.1.4. Sistema ligante (binder). 21. 2.2. Proceso de inyección. 24. 2.2.1. Etapas del proceso de moldeo por inyección. 24. 2.2.2. Molde. 27. 2.2.3. Caídas presión. 28. 2.2.4. Fase de inyección. 28. 2.2.4.1.. Velocidad de inyección y temperatura óptima. 30. 2.2.4.2.. Temperatura del molde. 32. 2.2.4.3.. Ventana de operación. 33. 2.2.5. Punto de cambio de control V/P ( V/P switchover). 37. 2.2.6. Fase de sostenimiento. 37. 2.2.7. Dosificación. 38. 2.2.8. Fase de enfriamiento y expulsión de las piezas. 39. 2.2.9. Calidad de la pieza moldeada. 40 3.

(4) 2.3. Simulación por computadora del proceso de moldeo. 41. 2.4. Sistema hidráulico de las inyectoras. 41. 2.4.1. Bombas. 43. 2.4.2. Válvulas hidráulicas. 46. 2.4.2.1.. Válvulas de control de cambio de dirección de flujo. 47. 2.4.2.2.. Válvulas de control de flujo. 53. 2.4.2.3.. Válvulas de control de presión. 54. 2.5. Propiedades y caracterización de los materiales moldeados por inyección 3. CAPITULO 3: Metodología y procedimiento. 56 58. 3.1. Actividades y procedimiento para arreglar y poner en marcha de la inyectora. 58. 3.2. Metodología para determinar el funcionamiento de la inyectora. 61. 3.2.1. Análisis del plano hidráulico. 62. 3.2.1.1.. Grupos de trabajo. 62. 3.2.1.2.. Identificación de los elementos hidráulicos del plano. 64. 3.2.1.2.1.. Identificación física de las válvulas y electroválvulas de la inyectora BOY 15. 65. 3.2.2. Hipótesis acerca del funcionamiento y alcance de la inyectora BOY 15. 74. 3.2.3. Comprobación experimental de la hipótesis. 77. 3.3. Procedimiento para diseñar un feedstock. 78. 3.3.1. Selección de los polvos. 78. 3.3.2. Selección del sistema ligante. 79. 3.3.2.1.. Sistemas ligantes de la literatura. 3.3.3. Concentraciones del feedstock 3.4. Diseño del proceso de mezcla. 80 80 80. 3.4.1. Parámetros. 80. 3.4.2. Densidades de los componentes del feedstock. 81 4.

(5) 3.4.3. Proceso de mezcla. 82. 3.5. Caracterización del feedstock (de la literatura). 84. 3.6. Procedimiento para determinar los parámetros de moldeo. 87. 3.6.1. Fase de inyección y Simulaciones. 87. 3.6.2. Etapa de sostenimiento , enfriamiento y expulsión. 87. 4. CAPITULO 4:Resultados y análisis de resultados. 91. 4.1. Plano hidráulico y funcionamiento de la inyectora. 91. 4.2. Selección del sistema ligante y carga sólida. 93. 4.3. Ventana de operación. 96. 4.4. Parámetros óptimos. 108. 4.5. Implementación de los parámetros en la inyectora. 112. 4.6. Resultados finales. 113. 4.7. Evaluación del molde. 114. 5. Conclusiones y recomendaciones. 115. 6. Referencias. 116. 7. Anexos. 125. 5.

(6) 1. Introducción El moldeo de polvos por inyección (MPI) es una tecnología de gran desarrollo en los últimos 25 años debido a la g ran cantidad de ventajas que presenta frente a otros procesos de manufactura. Principalmente se caracteriza por permitir la fabricación de piezas con geometrías y formas complejas, que con otros procesos serían muy costosas de producir. Por otra parte esta tecnología también permite controlar las características micro estructurales de los materiales, lo cual hace de esta técnica un proceso muy completo para producir piezas de alto rendimiento [Ref. 1, 10]. El moldeo de polvos por inyección (MPI) utiliza las ventajas del moldeo por inyección de plásticos para darle formas complejas a una masa inyectable llamada “feedstock”. Esta masa se compone de polvos metálicos y una base polimérica que le da las características reológicas para poder ser moldeada. Ya que el sinterizado en la metalurgia de polvos se realiza en etapas que permiten una pre sinterización la forma obtenida durante el moldeo no se pierde. El MPI tiene la capacidad de producir un gran volumen de piezas con formas complejas, alrededor de 10.000 a 1.000.000 de elementos por año. Otra de las ventajas que posee el MPI es la capacidad de procesar piezas compuestas por materiales con un alto punto de fusión como el tungsteno, los cerámicos y otros metales [Ref. 1]. En el país la industria desconoce en gran parte la existencia de esta tecnología y las ventajas que tiene frente a otros procesos. Hay muchos factores por los cuales no se ha podido desarrollar una industria de este tipo en el país, pero su discusión difiere de la intención de este proyecto. Por esta razón el deseo de este proyecto es aportar en el proceso de exploración de nuevas tecnologías, para ayudar en el desarrollo e implementación de las mismas en el país. Y que mejor área que la metalurgia de polvos y el moldeo de polvos por inyección para generar esta base de conocimientos. A causa de la falta de conocimiento en el moldeo de polvos por inyección no hay ninguna industria en el país que utilice esta técnica para fabricar algún tipo de piezas. Por esta razón se puede decir que esta es un área en la cual todo está por hacerse y desarrollarse en el país en el cual es necesario promover y avanzar hacia el uso de técnicas más productivas y con mejores niveles de calidad. Este proyecto tiene un alcance exploratorio de las tecnologías que se utilizan en el MPI especialmente en la maquinaria necesaria para poder llevar a cabo el moldeo de las piezas, es decir, las inyectoras comunes de plásticos con algunas mejoras y adaptaciones. También se quiere determinar un procedimiento lógico para llegar a diseñar un “feedstock” con propiedades mecánicas, reológicas, químicas y térmicas óptimas para poder determinar los parámetros óptimos del proceso de inyección. Básicamente los objetivos son:. 6.

(7) •. Arreglar y poner en marcha una inyectora con el fin de utilizarla para implementar un proceso de moldeo de polvos por inyección. •. Estudiar el funcionamiento hidráulico de las máquinas de moldeo por inyección para entender el funcionamiento de una inyectora de la cual no se tiene certeza de los componentes hidráulicos con los que cuenta. •. Formular y Comprobar el funcionamiento hidráulico de la inyectora mostrando los alcances y funciones que la máquina puede realizar.. •. Realizar una búsqueda bibliográfica con el fin de obtener un mayor conocimiento sobre el proceso de moldeo de polvos por inyección para diseñar un proceso de estos.. •. Seleccionar e importar los polvos de hierro con propiedades y características óptimas para usos en el MPI.. •. Seleccionar y modificar los componentes de un sistema ligante apropiado para diseñar un proceso de mezcla basado en el funcionamiento de las máquinas y herramientas del laboratorio. •. Determinar los parámetros óptimos de inyección para moldear muestras cilíndricas del feedstock de hierro diseñado con ayuda de simulaciones por computadora.. En este proyecto se realizará la adecuación de la inyectora BOY 15 del laboratorio y se analizará el funcionamiento y alcance de la misma en un proceso de moldeo de polvos por inyección. También se realizará el diseño de un feedstock haciendo énfasis en la selección del polvo y de las características del sistema ligante. Por medio de un programa de simulación se van a determinar los parámetros óptimos de inyección de limitando la ventana de operación. El documento se divide en 7 capítulos, estos son: Introducción, Marco teórico, Metodología y procedimiento, resultado y análisis, conclusiones y recomendaciones, referencias y anexos. En el marco teórico se realizarán una revisión de los fundamentos teóricos del MPI, del proceso de moldeo por inyección en plásticos y polvos y de los elementos hidráulicos de las inyectoras. En el capítulo de metodología y procedimiento se muestran las actividades para arreglar y poner en marcha una inyectora, y después se determinó la metodología que se usó para determinar el funcionamiento y el alcance de la inyectora. Para la metodología se utilizó el método científico para generar una hipótesis acerca del funcionamiento de la inyectora, y posteriormente esta hipótesis se comprobó por medio de un experimento de Taguchi (Mapeo de sistemas). En el experimento de Taguchi la hipótesis es comprobada. Además de generar una hipótesis acerca del funcionamiento de la inyectora se propondrán y llevarán a cabo los pasos para diseñar un feedstock con buenas propiedades reológicas, químicas y mecánicas. Es importante seleccionar e importar el polvo de hierro para que se pueda fabricar el feedstock en futuros trabajos. Para seleccionar el sistema ligante del feedstock se escogerán una serie de ligantes de la literatura y se analizaran individualmente con el fin de identificar sus ventajas y desventajas para procesas polvos de hierro. Por medio de este análisis se seleccionará un sistema ligante. 7.

(8) Por último se formulará y se realizará un procedimiento para determinar los parámetros óptimos de inyección por medio de simulaciones por computador. En esta etapa del proceso se hará énfasis en la delimitación de la ventana de operación de acuerdo a las características de la cavidad de la muestra cilíndrica del molde fabricado por Jarrett Smith. En el capítulo de resultados se llevará a cabo el análisis del experimento para refutar o aprobar la hipótesis acerca del funcionamiento y el alcance de la inyectora, además se mostrará el plano hidráulico actualizado de la inyectora. Después de analizar los resultados se generarán las conclusiones del trabajo realizado en el proyecto, de las cuales cabe resaltar que la máquina si sigue el comportamiento generado por la hipótesis y que el procedimiento realizado para determinar los parámetros óptimos es viable y da resultados usuales en el MPI. En la última etapa del proceso se mostrará un listado de recomendaciones para futuros proyectos. Y finalmente se mostrarán las referencias y los anexos utilizados para el desarrollo del proyecto.. 8.

(9) 2. CAPITULO 2: Marco teórico 2.1. Moldeo de polvos por inyección 2.1.1. Introducción y estado del arte En la década de los 70´s el uso del MPI se inició principalmente para fabricar piezas de alúmina de alta pureza por parte de la compañía Parmatech de California. Inicialmente se fabricaron sustratos cerámicos para hornos y guías para cables, pero cabe resaltar que el moldeo de polvos cerámicos por inyección MCI como tecnología tiene sus inicios en el año 1937 con los estudios realizados por Schwartzwalder para producir aislantes de bujías para motores de combustión interna. Sin embargo el MPI fue reemplazado en gran parte por la micro fundición durante el periodo de 1937 hasta comienzos de 1970 [Ref. 10]. Después de esto muchas compañías empezaron a realizar extensas investigaciones a finales de los 70´s, y aproximadamente 30 empresas en Estados Unidos alcanzaron un nivel razonable de capitalización y conocimiento en el tema. Algunas de estas empresas no tuvieron éxito en el uso del MPI pero las que lograron cierto nivel de superación han seguido realizando avances y se han convertido en compañías grandes y fuertes [Ref. 10]. El uso del MPI en materiales magnéticos suaves gana terreno frente a la metalurgia de polvos convencional MP ya que esta permite fabricar piezas con: formas complejas y no axiales, composiciones químicas más puras, tolerancias dimensionales estrechas y esfuerzos residuales bajos. Con lo cual se logra mejorar el rendimiento de los materiales magnéticos suaves fabricados por el MPI [Ref. 1, 10]. La dinámica económica del MPI en los últimos 30 años ha sido exitosa, con un crecimiento de 50% de la producción por año o doblando las ventas cada 21 meses. En 1995 la cantidad de dinero movido por el MPI fue de US$ 300 millones repartido en el procesamiento de diferentes materiales de la siguiente forma: 35% en cerámicos, 5% a 10% en carburos y el resto en metales. Por esta razón el MPI se está convirtiendo actualmente en una de las técnicas de manufactura más versátiles que existen [Ref. 1]. En la parte técnica actualmente las empresas (multinacionales) tienen un buen dominio de los procesos de selección y mezcla del feedstock y sus componentes, y han logrado controlar el proceso de inyección lo suficiente para generar piezas libres de defectos o por lo menos lo necesario para generar piezas con buenas propiedades mecánicas y químicas además de tolerancias dimensionales y geométricas más que aceptables [Ref. 1]. Sin embargo en Colombia los únicos trabajos desarrollados han sido los proyectos realizados en la universidad de los Andes en el desarrollo de feedstocks de acero inoxidable y titanio elemental.. 9.

(10) Polvo. Ligante. Pre mezcla Mezcla y pelletización. Moldeo por inyección. Solvente. Térmica. Remoción de ligantes Sinterizado. Figura 1 [Ref. 1]: Proceso de moldeo de polvos por inyección MPI. El proceso de moldeo de polvos por inyección como proceso industrial se compone de 5 subprocesos principalmente. El primero de estos pasos es la mezcla del polvo metálico y el sistema ligante con lo cual se obtiene una masa llamada feedstock. El sistema ligante es una mezcla de polímeros en el que cada componente tiene una función específica para darle al feedstock las propiedades óptimas para poder ser sometido a un proceso de moldeo por inyección. El segundo subproceso es la granulación o peletización del feedstock, la cual se hace con el fin de poder manipular e introducir la mezcla de polvos y ligante en la inyectora. El tercer subproceso es el moldeo por inyección en el cuál se le da la forma deseada al feedstock, esta parte del proceso es bastante crítica ya que es propensa a la generación de una gran cantidad de defectos en las piezas. Cabe decir que todos los defectos generados en alguna de las etapas del MPI no se podrán eliminar en etapas posteriores, aun más tenderán a magnificarse [Ref. 1]. Una vez se le ha dado la forma al feedstock, el siguiente subproceso es la etapa de extracción del sistema ligante por métodos químicos, seguido por la extracción de ligantes térmicamente. Finalmente se sinteriza la pieza para que se unan los polvos químicamente con el fin de darle propiedades mecánicas a la pieza similares a las obtenidas por otros procesos como la fundición, el maquinado o la micro fundición. En algunos casos es necesario realizar operaciones secundarias como maquinado o rectificado después de una primera fase de sinterizado. El alcance de este proyecto va hasta la etapa de moldeo por inyección, por lo cual para cumplir con este objetivo se realizara el diseño y la implementación de los primeros 3 subproceso [Ref. 1]. Durante la etapa de mezcla de los polvos con el sistema ligante el principal objetivo es obtener una mezcla homogénea de polvo y ligante sin aglomeraciones de polvo y con la mayor cantidad de polvo posible sin poner en detrimento las propiedades reológicas del feedstock. Finalmente en el. 10.

(11) diseño del proceso de moldeo por inyección lo que se quiere hacer es determinar y seleccionar los parámetros de inyección que menor cantidad de defectos generen sobre la pieza [Ref. 1]. 2.1.2. Feedstock El feedstock es una masa que se comporta como un fluido no Newtoniano, más específicamente como un fluido pseudoplástico a temperaturas de moldeo. Se fabrica por medio de la mezcla de polvos metálicos y aditivos poliméricos denominados ligante. Hay varios factores que determinan las propiedades de un feedstock, pero las que más repercuten en el comportamiento de este son: características del polvo, composición del sistema ligante, método de mezclado y forma de peletización o granulación. El sistema ligante es el encargado de darle las propiedades reológicas al feedstock para poder ser moldeado. Sin embargo se debe diseñar el feedstock no solo para poder moldearlo fácilmente, también es necesario tener un control sobre la cantidad de polvo que se agrega a la mezcla ya que este determinará la estabilidad de las dimensiones finales de la pieza. Por otra parte el sistema ligante tiene una repercusión bastante alta sobre la pureza de la aleación o el elemento metálico después de los procesos de remoción de ligantes y de sinterizado [Ref. 1]. 2.1.2.1.. Relación polvo ligante o carga sólida. Hay un balance óptimo entre la cantidad de polvo y ligante que produce las mejores propiedades de índice de moldeabilidad, retención de la forma, densificación y deformación final de la pieza sin crear aumentos sustanciales en la viscosidad de la mezcla cuándo se inyecta. La relación entre la cantidad de polvo y ligante suele llamarse carga sólida y suele determinar el éxito del proceso del MPI en futuros pasos. Hay tres posibles situaciones en la selección de la carga sólida las cuales se muestran en la figura 2 [Ref. 1, 8].. Vacío. Partícula. Ligante. Figura 2 [Ref. 8]: Posibles situaciones en la mezcla del polvo y el ligante. a) Con exceso de polvo, b) Carga sólida crítica y c) Con exceso de ligante.. La primera situación (a) resulta en altos niveles de viscosidad y burbujas de aire que dificultan dramáticamente el proceso de moldeo, además estas burbujas de aire pueden generar fracturas durante la extracción de ligantes. A medida que disminuye la cantidad de polvo en la mezcla se llega al punto de la carga crítica (b), en esta situación la cantidad de ligante es suficiente para llenar todos los espacios inter particulares y además los polvos se encuentran extremadamente 11.

(12) juntos de tal forma que las partículas se encuentran en un contacto puntual. Trabajar a una carga sólida crítica no asegura buenas propiedades reológicas ya que la viscosidad es muy alta debido a la fricción inter particular que se crea con el contacto puntual de cada polvo. Por esta razón se suele trabajar 2% en volumen por debajo del punto crítico de carga ya que si se llega a exceder la carga sólida así sea por pequeños incrementos de polvo el aumento en la viscosidad es excesivo y empiezan a aparecer burbujas de aire nuevamente. La tercera situación (c) es cuándo se tiene un exceso de ligante en la mezcla, y aunque los valores de viscosidad en esta situación suelen ser menores que en las anteriores 2 situaciones, un exceso de ligante genera la separación del ligante con el polvo durante el moldeo o se crean rebabas en la pieza. Otro defecto generado por un exceso de ligante son los rechupes en la pieza ya que las partículas no se mantienen en una sola posición durante la extracción del ligante [Ref. 1, 8]. La cantidad de ligante que se debe tener en la mezcla depende de la capacidad de empaquetamiento de los polvos, es por esta razón que polvos con distribuciones de polvo más amplias con formas esféricas generan cargas sólidas más altas. Con el fin de cuantificar la carga sólida volumétrica se propone en la ecuación 1.. Ecuación 1 [Ref. 1]:. es la carga sólida volumétrica,. polvo,. el peso del ligante y. es el peso del polvo,. es la densidad del. la densidad del sistema ligante.. La carga sólida se expresa en porcentaje y suele estar entre 55% a 65% vol. para un proceso usual de MPI. La carga sólida óptima suele ser un poco menor a la crítica ya que esto permite tener viscosidades bajas y además permite que las partículas de polvo estén lo suficientemente cerca durante la remoción de ligantes y el sinterizado para poder retener la forma. Otro punto para trabajar unos puntos por debajo de la carga sólida crítica es la mejor lubricación, lo que ayuda a facilitar el moldeo. La densidad teórica del feedstock se puede obtener por medio de la siguiente formula [Ref. 1].. Ecuación 2 [Ref. 1]: Densidad teórica del feedstock En esta ecuación Φ es la carga sólida volumétrica, ρp es la densidad del polvo y ρB es la densidad , ya que en del ligante. En la práctica la densidad del feedstock es menor al valor teórico de algún grado se tiene la presencia de burbujas de aire o algún otro contaminante. En la industria es más común y cómodo manejar los porcentajes de carga sólida y del ligante en peso. El valor de la carga sólida teórica en peso se determina por medio de la ecuación 3.. 12.

(13) Ecuación 3 [Ref. 1]: Porcentaje de carga sólida en peso Normalmente un sistema ligante basado en ceras como la parafina (PW), surfactantes como el ácido esteárico (EA) y polímeros de cadenas largas como: el polipropileno (PP), el polietileno (PE) o el EVA. Tienen densidades entre 0,9 a 1 g/cm3. Un ejemplo de las consecuencias de trabajar con porcentajes de carga sólida diferente al óptimo se muestra en el anexo 17 [Ref. 1]. Hay varias técnicas para determinar la carga sólida crítica. Algunos de estos métodos miden viscosidades, torques, índice de fluidez y densidades. El método de la densidad es bastante exacto, pero muy demorado y engorroso. Se basa en el principio de que el feedstock debe tener una densidad muy parecida o igual a la teórica, pero cuando se alcanza la carga sólida crítica empiezan a aparecer burbujas de aire debido a la deficiencia de ligante. Estas burbujas de aire hacen que la densidad teórica varíe significativamente en comparación con la experimental, ya que al aparecer burbujas de aire disminuye la densidad. Los métodos reológicos miden el momento en el cual la viscosidad aumenta desproporcionadamente con el aumento de la cantidad de polvo en la mezcla. El método por torque mide el torque en el mezclador y en el momento que el torque aumenta dramáticamente se dice que se alcanzó la carga sólida crítica. En el anexo 14 se muestra con más detalle el fundamento teórico de cada uno de estos métodos [Ref. 1]. El grado de empaquetamiento de los polvos es el primer indicador que permite inferir sobre la carga sólida crítica del feedstock. Un polvo que empaqueta a altas densidades necesita menos ligante para el proceso de moldeo, ya que la amplia distribución de tamaños permite llenar más espacios con polvo en vez de ligante. En polvos de tamaños medios inferiores a 2.5 µm y con una distribución estrecha la carga sólida empieza a verse seria mente afectada. Esto ocurre porque en la mezcla cada partícula de polvo tiene que estar recubierta por una capa mínima de ligante y a su vez todos los espacios entre partículas deben estar igualmente llenos de ligante, sin embargo estas capas tiende a tener un tamaño mínimo aproximado de 0.07 µm. Si el polvo es muy pequeño se tiene una gran cantidad de área superficial lo que hace que se invierta mucho volumen tratando de cubrir toda la superficie de los polvos disminuyendo la cantidad de volumen de polvo en la mezcla, además el hecho de que tenga una distribución estrecha va a hacer que no se logren llenar la mayoría de los espacios con polvo [Ref. 1]. Uno de los aspectos que se debe tener en cuenta durante el diseño de un sistema ligante es la presencia de un surfactante. Este componente permite mejorar la adherencia del polvo al resto del sistema ligante por medio de adsorción química, lo que permite que la carga sólida aumente [Ref. 1].. 13.

(14) 2.1.2.2.. Proceso de mezcla. Durante el mezclado se intenta tener mezclas lo más homogéneas posibles, ya que cualquier defecto que quede remanente en esta etapa no se podrá corregir posteriormente en las etapas de moldeo, extracción de ligantes y sinterizado. La forma óptima de mezclado se puede llevar a cabo con el esfuerzo cortante más alto, pero sin llegar a dañar las partículas de polvo o sobrecalentar el sistema ligante. Un feedstock mezclado correctamente presentará una dispersión homogénea de los polvos en el ligante sin aglomerados o burbujas de aire [Ref. 1]. Las inhomogeneidades en un feedstock por lo general se presentan en 2 formas separación del polvo y el sistema ligante o segregación de polvo. Los polvos se separan del sistema ligante principalmente por la diferencia en densidades, tamaños o forma. Esta separación resulta en distorsiones de las piezas sinterizadas y finalmente todas las inhomogeneidades se crearán altas viscosidades durante el moldeo y bajas densidades después del sinterizado. También se puede decir que un feedstock con altos niveles de homogeneidad va a mostrar un encogimiento durante el sinterizado uniforme e isotrópico [Ref. 23]. La facilidad con la que se des aglomeran los polvos y son mojados por el sistema ligante depende de la forma y el tamaño de estos. Partículas pequeñas menores a 1 µm tienden a aglomerarse más fácil por la alta energía superficial que tienen y requieren tiempos de mezclado más largos, y además disminuyen la carga sólida óptima y crítica del feedstock. Por otra parte las partículas de formas irregulares o no esféricas también ponen en detrimento las propiedades reológicas y la carga sólida óptima pues no logran empaquetarse a niveles altos y además presentan orientaciones durante el moldeo que finalmente resulta en un encogimiento anisotrópico durante la extracción de los ligantes y el sinterizado[Ref. 1]. Hay varios métodos para evaluar la homogeneidad del feedstock, estas son: ‐. Análisis termo gravimétrico de las muestras [Ref. 23]:. ‐. Observando la distribución de la porosidad en las piezas pre sinterizadas [Ref. 24]:. ‐. Analizando los gradientes de densidad de varias muestras del feedstock [Ref. 25, 24]:. ‐. Utilizando técnicas de microscopía electrónica SEM para ver como se distribuye el polvo en el sistema ligante [Ref. 23]:. ‐. Monitoreando el nivel y la homogeneidad del torque durante el mezclado [Ref. 24, 25]:. ‐. Medición de la viscosidad y su variación durante la prueba [Ref. 1]. A pesar que hay muchas formas de medir el nivel de homogeneidad del feedstock, uno de los problemas es delimitar la escala a la cual se presenta la segregación de los polvos. Si se trata de observar la segregación en muestras muy grandes lo más probable es que no se podrá identificar ningún cambio, pero si por el contrario la muestra es muy pequeña la cantidad de partículas que. 14.

(15) se tienen no permitirá validar ningún resultado. El tamaño de una muestra representativa para ver segregaciones sobre todo en el método de la densidad es de 0.1 cm3 [Ref. 1]. Hay 2 formas de mezclar los polvos con el sistema ligante. Se puede mezclar en seco los componentes del sistema ligante con los polvos y después introducirlos en el mezclador o se pueden agregar los componentes del sistema ligante en el mezclador, pre calentarlos y después empezar a agregar el polvo poco a poco. El segundo método tiene muchas variantes entre las cuales está empezar a agregar los componentes del sistema ligante en el mezclador empezando por el de más alto punto de fusión y terminando en el de menor punto de fusión; o simplemente se pueden agregar todos los componentes del ligante a la temperatura de mezclado y esperar a que se estabilice la temperatura antes de empezar a agregar el polvo. En aplicaciones industriales, más precisamente de producción donde ya no se tiene intenciones de determinar concentraciones de polvo o componentes de los sistemas ligantes se puede mezclar primero el polvo con el surfactante para minimizar los tiempos de mezclado y la homogeneidad del feedstock [ref. 1]. Esto ocurre debido que el polvo se adhiere al surfactante por medio de adsorción química y luego cuando el polvo es agregado al ligante fundido este rompe los clústeres de polvo por medio de acción capilar, lo que resulta en lubricación de los polvos y una continua des aglomeración [Ref. 14]. Durante el mezclado lo primero que sucede es el rompimiento de los clústeres de polvo por medio de cortante lo que hace que el tamaño de estas aglomeraciones disminuya con el tiempo hasta que el sistema ligante logra dispersar todos los polvos. Este proceso sigue el comportamiento de la ecuación 4 [Ref. 1].. Ecuación 4 [Ref. 1]: Ho es la condición inicial de homogeneidad, t es el tiempo de mezclado, α, C y k son constantes dependientes del tipo del mezclador, características del polvo, condición superficial y aglomeración inicial. Extrusora de doble tornillo. Extrusora de 1 tornillo. Leva gemela. Mezclador tipo sigma. Planetario doble. Pistón extrusor. Figura 3 [Ref. 1]: Tipos de mezcladores.. 15.

(16) Como se puede ver en la figura 3 hay varios tipos de equipos para mezclar los componentes del feedstock, entre ellos se encuentra el mezclador: de doble tornillo extrusor, tornillo extrusor, de cámara de doble leva, de tipo de aspas de tipo sigma, de doble planetario y de pistón extrusor. Todos estos sistemas tienen diferentes características pero todos han sido diseñados tratando de suministrar la mayor cantidad de cortante por igual en la mayor cantidad del volumen del feedstock. Los mezcladores de la figura 8 tienen áreas diferentes donde se realiza la aplicación de cortante máximo y en general estas zonas son las más propensas al desgaste y a la abrasión. De los anteriores mezcladores el de mayor rendimiento es el de doble tornillo extrusor ya que permite crear los cortantes más altos, lo que permite mezclar el polvo y el ligante en el menor tiempo posible y con temperaturas más altas que cualquier otro tipo de mezclador. En este mezclador los tornillos rotan en direcciones opuestas y conducen el feedstock por el barril precalentado hasta que lo expulsa por medio del dado de salida. En el proceso de mezclado del feedstock se ha demostrado que amplios tiempos de mezclado permiten crear feedstocks más homogéneos pero también promueven la degradación del sistema ligante y la contaminación del feedstock por lo cual los mezcladores de doble tornillo son más eficientes. La desventaja de este tipo de mezcladores es su costo, pero si se evalúan los resultados de este tipo de mezclador se llega a la conclusión de que son más eficientes. Los mezcladores de tipo sigma y planetario son más económicos pero generan menores niveles de homogeneidad y además generan la mayor cantidad de contaminantes en el feedstock ya que los tiempos de mezclado en estos sistemas son más largos. Con el fin de mitigar los niveles de contaminación en el feedstock los mezcladores deben ser construidos con materiales bastante duros y con acabados superficiales suaves o con rugosidades pequeñas. Como se puede ver en la figura 8 casi todos los mecanismos de mezclado se basan en la rotación de elementos (aspas, tornillos, etc) y cada una de estas máquinas tiene un rango de velocidades óptimas. En el caso de los mezcladores sigma esta rotación varía entre 30 y 90 RPM dependiendo del tamaño del mezclador, sin embargo se han logrado realizar mezclas exitosas con una velocidad de rotación de las aspas de 35 RPM [Ref. 9]. 2.1.2.3.. Temperatura de la mezcla. En sistemas ligantes conformados por polímeros termoplásticos el proceso de mezclado se debe realizar a temperaturas en las cuales se pueda experimentar un esfuerzo cortante alto para poder des aglomerar los polvos. Esta temperatura de máximo cortante suele ser la temperatura de punto de fusión del ligante, que también es la temperatura de fusión más alta que se encuentra entre los componentes del sistema ligante [Ref. 9, 27]. Por ejemplo en un sistema de polipropileno (PP), parafina (PW) y ácido esteárico (EA) se tienen las siguientes temperaturas de fusión normalmente: 150 °C, 60 °C y 74 °C respectivamente. En este caso la mezcla se debería hacer a una temperatura de 150 °C que corresponde a la más alta, es decir a la del PP. Sin embargo se ha demostrado que hay un grado de miscibilidad entre la parafina y el polipropileno lo que hace que baje el punto de fusión de todo el sistema unas decenas de grados. La elección de esta temperatura se hace por 2 razones, primero que todo el sistema ligante debe estar completamente fundido para poder mojar 16.

(17) todas las partículas de una forma óptima y segundo si se excede la temperatura de fusión la viscosidad bajara demasiado impidiendo la creación de cortantes altos lo que haría que no se realizara una correcta des aglomeración de los polvos [Ref. 26]. De la misma forma temperaturas altas generan la separación del polvo con el sistema ligante a causa de bajos niveles de viscosidad y además promueven gradientes de densidad en el feedstock. Este hecho se comprueba observando los gradientes de densidad de una muestra cilíndrica de feedstock, ya que las bajas viscosidades hacen que los polvos se traten de sedimentar en las zonas más profundas del equipo de mezclado. Por otra parte la temperatura de mezclado no debe sobrepasar el punto de degradación térmica de alguno de los componentes del sistema ligante [Ref. 1]. La elección de la temperatura de fusión, como temperatura de mezcla es casi definitiva para mezcladores de bajo cortante como los de tipo sigma, doble planetario, pistón extrusor o doble leva. Sin embargo en mezcladores de doble tornillo extrusor se puede mezclar a temperaturas más altas que la del punto de fusión, ya que este tipo de mezclador logra crear mayores cortantes. La temperatura de fusión de un polímero o un sistema ligante se puede determinar por medio de un DSC (differential scanning calorimetry). Con esta técnica se observan los picos de flujo de calor, los cuales representan un cambio de fase debido a la mayor o menor necesidad de calor de la muestra para seguirse calentando (aumentando la temperatura) a una tasa estipulada. En un DSC se pueden ver 2 tipos de reacción, endotérmico y exotérmico. En el proceso endotérmico la pieza necesita entrada de calor para cambiar de fase o desaparecerla y en el exotérmico la pieza libera calor a los alrededores también por efectos de cambio de fase, en este caso de re cristalización [Ref. 26].. Figura 4 [Ref. 26]: estos son los resultados de una reacción endotérmica para varios polímeros usados normalmente en el MPI.. En la figura 9 se pueden ver los picos que se presentan por el cambio de fase de las muestras, en este caso el cambio de fase representan los puntos de fusión, que es el mismo momento en el que desaparece la fase cristalina del material. Para el polipropileno PP, el ácido esteárico EA y la cera. 17.

(18) parafina PW se presentan los puntos de fusión aproximados de 170 °C, 68 °C y 64 °C respectivamente [Ref. 1]. Sin embargo estas temperaturas de fusión no son las temperaturas de fusión del feedstock ya que al mezclarse los componentes del sistema ligante suele haber un grado de miscibilidad entre dos o más polímeros. Esta miscibilidad resulta en una disminución de los puntos de fusión ya que alguno de los 2 polímeros tiene un punto de fusión más bajo.. Figura 5 [Ref. 26]: pruebas DSC para varias mezclas de PP y PW desde 100% hasta 0% de PP.. En la figura 5 se muestran los DSC de varias mezclas de PP y PW a diferentes concentraciones. En este DSC hay 2 picos principales, de derecha a izquierda el primero de ellos es el correspondiente al punto de fusión del PP y el segundo corresponde al punto de fusión de la PW. La disminución del punto de fusión de la mezcla de PP y PW se ve reflejada debido al corrimiento del pico del punto de fusión del PP, que finalmente resulta en la disminución del punto fusión de la mezcla. Como ya se dijo anteriormente esto se debe posiblemente a la miscibilidad entre el PP y la PW [Ref. 26]. 2.1.2.4.. Peletización o Granulación del feedstock. Figura 6 [Ref. 1]: Bosquejo de los aparatos para granular (izquierda) o pelletizar (derecha).. 18.

(19) La granulación o pelletización se hace para poder introducir el material en la tolva de la inyectora. Sin embargo también tiene por objeto reciclar el feedstock que se utiliza en la inyección para llenar los canales de alimentación del molde o las piezas que han sido rechazadas por falta de calidad. Hay que tener cuidado con la calidad del material reciclado, ya que por lo general durante las etapas de moldeado, reciclaje y otra vez moldeado suele contaminarse. En la figura 6 se muestra una pelletizadora y una granuladora [Ref. 1]. En el anexo 8 se muestran ejemplos de feedstocks usuales de la literatura. 2.1.2.5.. Reología. EL comportamiento reológico de un feedstock es de suma importancia, ya que este es el que determina cual es la viscosidad de un feedstock dependiendo de la tasa cortante (tasa de flujo) o de los cambios de temperatura [Ref. 1,2]. En el anexo 13 se muestra una explicación más extensa de este tema.. 2.1.3. Polvos Las características del polvo afectan las características del feedstock en gran medida. En el MPI se buscan polvos que tengan densidades de empaquetamiento aproximadamente de 60% de la densidad teórica. Sin embargo polvos de tamaño muy pequeño tienden a aglomerarse y se debe realizar una gran cantidad de trabajo para separarlos. La forma también es muy importante, polvos de forma esférica tienen los mayores niveles de empaquetamiento a diferencia de los polvos con formas irregulares que disminuyen la carga sólida óptima ya que no empaquetan a densidades altas [Ref. 1]. Las propiedades que se deben identificar para evaluar si un polvo puede ser utilizado exitosamente en el MPI son: tamaño de partícula y distribución de tamaño, forma de las partículas, área superficial, empaquetamiento y flujo, estructura interna del polvo, gradientes químicos y recubrimiento superficial. Cabe resaltar que estas propiedades son el resultado del tipo de método de fabricación que se utiliza para producirlos. La tabla1 resume las características ideales para los polvos utilizados en el MPI. PROPIEDADES DE UN POLVO IDEAL EN EL MPI Tamaño:. entre 0.5 y 20 micras con D50 entre 4 y 8. distribución de tamaño:. no muy estrecha pero tampoco muy grande, aproximadamente Sw = 2 o 8. densidad de batido. 50% de la teórica. forma:. esférica con un aspecto de radio de 1.2. ángulo de reposo:. 55 °. 19.

(20) otras indicaciones. sin aglomeraciones partículas sin poros baja toxicidad y explosividad superficie de la partícula limpia. mínima segregación Tabla 1 [Ref. 1]: Propiedades ideales de los polvos utilizados en el MPI. Durante el moldeo por inyección las tasas cortantes son muy elevadas lo que induce una orientación de las partículas. Esta orientación resulta en encogimientos aniso trópicos de las piezas, sin embargo con el uso de polvos esféricos o equi axiales esta orientación desaparece lo que les da una ventaja adicional a este tipo de polvos en el MPI. Distribución de tamaño % acumulativo. Tamaño de partícula µm. Figura 7 [Ref. 1]: Distribución de tamaño del polvo. La figura 7 muestra del porcentaje acumulativo del tamaño de polvo en una muestra. Una forma de determinar la distribución de tamaño de un polvo cuantitativamente es con el coeficiente Sw que representa la pendiente de la figura 14 desde D10 hasta D90, el cual es igual a:. Ecuación 5 [Ref. 1]: Fórmula del coeficiente Sw Valores grandes de Sw corresponden a distribuciones de polvo estrecha, y valores grandes de Sw corresponden a tamaños de distribución amplios. El área superficial de un polvo esférico se obtiene teóricamente por medio de la fórmula 6:. Ecuación 6 [Ref. 1]: Área superficial. 20.

(21) El resultado de esta ecuación es una medida de inferencia de las fricciones inter particulares, ya que a una mayor área superficial se tienen mayores puntos de contacto entre partículas y por ende aumenta la fricción lo que resulta en menores niveles de índice de fluidez.. Fricciones inter particulares y densidad de empaquetamiento Las propiedades del polvo en cuanto a forma, tamaño y ancho de la distribución del polvo determinan el comportamiento de flujo, empaquetamiento y fricción inter particular. Si el polvo tiene un tamaño muy pequeño la fricción va a aumentar, complicando los procesos de mezcla y moldeo. Sin embargo bajos niveles de fricción inter particular dificultan la retención de la forma durante los procesos de remoción de ligantes y sinterizado. El ángulo de reposo es una medida de que tanto puede preservar la forma el polvo y los valores usuales para polvos en el MPI son de 55°.. Vertidos suelto. α es el ángulo de reposo.. inclinado Figura 8 [Ref. 1]: Ángulo de reposo. La densidad de batido (“tap density”) es la densidad de los polvos que se obtiene después de vibrarlos. Por medio de este valor se puede inferir sobre la carga sólida crítica del feedstock, ya que los polvos después de ser sometidos a un proceso de vibración se acercan tanto como en la misma mezcla de polvo ligante. La densidad picnométrica, es la densidad teórica de los polvos y debe ser evaluada no solo para calcular la densidad del feedstock sino para determinar posibles contaminantes o poros en los polvos [Ref. 1]. Fabricación de los polvos Hay una gran cantidad de métodos para fabricar polvos, y todos estos métodos generan polvos con diferentes tamaños, formas, micro estructuras, composición química y costo. Entre todos los métodos que se enuncian a continuación los que producen polvos con las mejores características para el MPI son: descomposición carbonilo, descomposición química por vapor, atomización por gas y atomización por plasma. Aunque muchos de estos métodos producen polvos de forma esférica y con distribuciones ideales para el MPI, algunos de estos métodos necesitan procesos posteriores de tamizado para poder seleccionar el tamaño de polvo deseado en el MPI. Cabe recordar que varios de estos métodos se utilizan porque son los únicos que logran producir polvos 21.

(22) de cierta clase de material como lo son la descomposición química por vapor para producir polvos cerámicos o la reducción de óxidos para producir polvos de metales duros a bajo costo como el tungsteno.. Técnica. tamaño (µm). Forma. materiales. costo. Atomización con gas. 5 a 40. Esférica. metales y aleaciones. alto. atomización con agua. 6 a 40. redondeada ligamental. metales y aleaciones. moderado. Esférica. metales y aleaciones. moderado alto. alto. atomización centrífuga. 25 a 60. atomización con plasma. 2 a 40. Esférica. cerámicos metales y aleaciones. oxido reducción. 1 a 10. Poligonal. metales. bajo. descomposición carbonil. 0.2 a 10. redondeada y espigada. metales. moderado. descomposición química por vapor. 0.1 a 2. agujas equaxiadas. cerámicos. alto. precipitación. 0.1 a 3. Poligonal. metales y compuestos. bajo moderado. molienda. 1 a 40. irregular y angular. frágiles. moderado. redondeado y reacción 0.2 a 40 esférica compuestos alto Tabla 2 [Ref. 1]: Métodos de producción de los polvos utilizados en metalurgia de polvos en general.. La tabla 2 muestra que la descomposición carbonilo genera polvos de tamaños entre 0.2 y 10 µm, con formas esféricas y de con un costo moderado. Lo cual lo hace un buen candidato para ser seleccionado como un polvo en procesos de MPI. En el anexo 9 se pueden observar la mayoría de los polvos usados comúnmente en el MPI y sus distribuciones de tamaño. 2.1.4. Sistema ligante (binder) El ligante es el componente que le da las características al feedstock para permitir el flujo de las partículas en el proceso de moldeo por inyección. El sistema ligante también es el encargado de darle la fortaleza necesaria al feedstock para mantener la forma antes y durante el principio del sinterizado, sin embargo debe ser retirado completamente con el fin de permitir la sinterización en su totalidad. La mayoría de los sistemas ligantes tienen varios componentes, y cada uno de ellos cumple una función. La tabla 3 muestra las características ideales para un sistema ligante en el MPI.. 22.

(23) Características de flujo viscosidad por debajo de 10 Pa*s a las temperaturas de moldeo bajos cambios de viscosidad con los cambios de temperatura fuerte y rígido después del enfriamiento moléculas pequeñas para poder instalarse fácilmente entre las partículas y evitar orientación durante el moldeo interacción con el polvo bajo ángulo de contacto adherencia al polvo químicamente estable inclusive a altas tasas de corte y temperatura térmicamente estable durante la mezcla y el molde remoción de ligantes varios componentes con diferentes características no corrosivo, ni tóxico al descomponerse mínimos residuos después de descomponerse térmicamente temperaturas de degradación térmica por encima de las temperaturas de moldeo y mezcla degradación térmica antes de las temperaturas de sinterizado Fabricación Bajo costo baja absorción de agua que no se degrade con varios ciclos de calentamiento altamente lubricado Resistente conductividad térmica alta bajo coeficiente de expansión térmica soluble en solventes comunes cadenas cortas para inhibir orientación Tabla 3 [Ref. 1]: Características ideales de un sistema ligante en el MPI. El ligante debe mojar la superficie del polvo completamente, para ello se deben utilizar componentes que promuevan la adherencia del ligante al polvo. Usualmente se utilizan titanatos, silicatos, fosfatos y estearatos. Estos componentes son conocidos como surfactantes y como resultado de la mejoraría de la unión entre el polvo y el ligante se aumenta la carga sólida y se disminuye la viscosidad del feedstock. Un sistema ligante exitoso también debe tener un componente que disminuya la viscosidad, normalmente esto se logra con componentes de bajo peso molecular y las ceras son las que mejor cumplen con esta condición. Cómo se ha dicho anteriormente se desea un feedstock con la mayor cantidad de carga sólida, sin embargo las ceras por si solas no pueden evitar la separación del polvo o su segregación cuándo se trabaja con altas cargas sólidas o a altas temperaturas o a tasas de corte muy elevadas. Con el fin de evitar la segregación y aglomeración de polvo a altas tasas de corte o a altas temperaturas se utilizan polímeros con cadenas más pesadas como el PP, PE o EVA. 23.

(24) Estos componentes se denominan sistema ligante central y también tienen la función de darle estabilidad dimensional a la pieza durante los proceso de extracción de ligantes por medios químicos [Ref. 1]. Para poder realizar la extracción química por solventes se debe tener un componente del sistema ligante en un porcentaje superior al 30% que se pueda disolver en solventes comunes como el hexano y el heptano, sin embargo se ha demostrado que el porcentaje de estos componentes puede llegar hasta el 80%, mostrando resultados buenos en cuento a las propiedades reológicas del feedstock [Ref. 3]. En general el sistema ligante se debe diseñar por lo menos con 2 materiales que tengan un porcentaje representativo. Usualmente estos dos componentes son ceras y polímeros de cadenas largas. Estos 2 materiales son parcialmente miscibles debido al cambio de peso molecular, estructura química o puntos de fusión. Con esto también se permite realizar la extracción del ligante en 2 etapas, primero se remueve algunos de los componentes, generalmente las ceras y los surfactantes por métodos químicos los cuales pueden ser [Ref. 1]: ‐. Solventes. ‐. Evaporación. Sin embargo se ha demostrado que la extracción únicamente por métodos térmicos es muy demorada y costosa elevando el costo de las piezas fabricadas por el MPI hasta el punto de hacer inviable el proceso. Finalmente se extrae el componente conocido como ligante central por degradación térmica. Los surfactantes son de suma importancia en la formulación del sistema ligante, ya que este promueve la des aglomeración de los polvos y consecuentemente mejora la unión con el resto del ligante por medio de adsorción química. Se ha demostrado en la literatura que el porcentaje máximo de EA que causa un efecto significativo sobre la carga sólida y el comportamiento reológico en un feedstock está alrededor del 5% en peso del sistema ligante total [Ref. 1, 14]. En el anexo 15 se detalla la reacción química del ácido esteárico con el polvo. Los componentes del sistema ligante que son extraídos por degradación térmica dejan residuos de carbono en la superficie de los polvos. Si no se utilizan atmosferas controladas durante la sinterización y la extracción de ligantes térmicamente estos residuos de carbono se incorporarán a la estructura de los polvos por difusión. Esto hará que suba la cantidad de carbono en la pieza generando propiedades diferentes a las deseadas en algunos casos. Por ejemplo el porcentaje de carbono en las aleaciones magnéticas pone en detrimento sus propiedades ya que impide el crecimiento de los dominios magnéticos. Por esta razón si se necesita generar piezas con una elevada pureza y sin contaminantes como el carbono se deben escoger polímeros que dejen porcentajes muy bajos de carbono [Ref. 1, 36].. 24.

(25) Polímero Polietileno PP Poli isobutileno Polipropileno poli metil metacrilato polietileno oxido poli vinil butrial celulosa metil. % de residuo en peso 0,11 0,1 0,1 0,22 4,51 1,83 10,51. Tabla 4 [Ref. 1]: Esta tabla muestra los porcentajes residuales de algunos polímeros al degradarse térmicamente en una atmosfera de hidrógeno.. Como se puede observar el polietileno, el polipropileno y el poli isobutadieno presentan porcentajes residuales de carbono muy bajos, por lo cual son muy buenos candidatos para ser usados en aplicaciones que requieran altas purezas. 2.2. Proceso de inyección en plásticos 2.2.1. Etapas del proceso de moldeo por inyección Las variables del proceso así, como la geometría del molde y las características del material a inyectar son los principales agentes que determinan las propiedades y la calidad de la pieza final. Un proceso de moldeo por inyección tradicional se divide en las siguientes partes [Ref. 6].. Figura 9 [Ref. 6]: Ciclo del moldeo por inyección. Cuándo se inicia un ciclo de moldeo por inyección en un modo automático, estos son los tiempos y mecanismos que se activan usualmente [Ref. 6]: 1. Se cierra el molde: el ciclo se inicia al cerrar el molde. 2. La unidad o grupo de inyección avanza hacia el molde: La unidad de inyección avanza hasta que la boquilla de inyección hace contacto con el anillo centrador del molde. Este paso es necesario cuándo se requiere que el molde permanezca a baja temperatura para evitar la trasferencia de calor. En el caso de sistemas en los que se requiere precalentar el 25.

(26) molde, la boquilla puede permanecer apoyada en el anillo centrador del molde durante todo el ciclo. 3. Empieza el llenado del molde: Una vez la unidad de inyección toca el molde, una electroválvula permite el paso de fluido hacia los pistones del tornillo de inyección haciendo que el material empiece a fluir hacia la cavidad del molde. Esta fase suele durar desde fracciones de segundo hasta segundos completos dependiendo del tamaño de la pieza a ser moldeada. Esta parte del proceso determina en gran medida las propiedades y la calidad de las piezas moldeadas. 4. Fase de enfriamiento: La fase de enfriamiento se inicia una vez se inicia la fase de llenado debido a la transferencia de calor entre la superficie fría del molde y la mezcla caliente que se está inyectando. 5. Presión de sostenimiento: Después de llenar la cavidad del molde se aplica una presión menor a la máxima presión de llenado. Durante esta fase el tornillo se desplaza hacia adelante muy lentamente con el fin de inyectar material adicional para compensar la contracción de material. Esta presión de sostenimiento también se utiliza para evitar retornos de flujo desde la cavidad del molde hacia el barril de inyección. Además la presión de sostenimiento se aplica hasta que se solidifica la compuerta o “gate” de la cavidad, ya que una vez ocurrido este fenómeno la aplicación de presión solo conllevará a crear esfuerzos residuales en la compuerta de la cavidad. 6. La unidad o grupo de inyección se retira del molde: una vez se solidifica la compuerta de la cavidad el grupo de inyección se retira del molde, como ya se dijo anteriormente este paso es necesario cuándo no se quiere que haya transferencia de calor entre el molde y la boquilla. 7. Se inicia la etapa de dosificación, también llamada “feeding o plasticating”: Durante esta etapa el tornillo de inyección empieza a girar haciendo que el material entre en el barril y se empiece a fundir. Esta operación no se puede realizar con el grupo de inyección retirado del molde si la boquilla es del tipo abierto pues se generarían goteos de material. En este caso la etapa de dosificación se debe realizar al final de la etapa de aplicación de la presión de sostenimiento, es decir los pasos 6 y 7 se intercambian. 8. Finaliza la etapa de enfriamiento: Después de que se termina la etapa de sostenimiento se debe esperar una cantidad adicional de tiempo para que la pieza termine de enfriarce. 9. Etapa de expulsión de las piezas: finalmente se realiza la expulsión de las piezas, una vez se ha realizado este paso el ciclo puede volver a iniciar desde el primer paso.. 26.

(27) Empieza el ciclo. Paso 1 Enclavamiento del molde y avanza el grupo de inyección. Paso 2 Llenado del molde. Paso 3 y 4 Presión de sostenimiento. Paso 5 y 4 Retrocede el grupo de inyección. Paso 6, 7 y 4 Expulsión de la pieza. Paso 8. Figura 10 [Ref. 1.]: En esta figura se muestra el desarrollo del ciclo de inyección con respecto al movimiento y posición del grupo de inyección el molde.. De los pasos anteriormente mencionados, los de mayor complejidad e impacto en las propiedades y la calidad de las piezas moldeadas son los pasos: 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9. Los cuales se explicaran con mayor detalle a continuación. Antes de explicar estos procesos es bueno mencionar que el feedstock del MPI y los polímeros tradicionales se comportan de forma muy parecida durante el moldeo. Las diferencias más relevantes radican en la diferencia del coeficiente de conductividad térmica y el calor específico. En el feedstock el coeficiente de conductividad térmica es un orden de magnitud mayor a causa de la naturaleza conductora de los metales. Por otra parte el calor específico en el feedstock puede llegar a ser la mitad del de los polímeros tradicionales, lo que implica que el feedstock necesita menos energía que los plásticos para aumentar un grado de su temperatura [Ref. 29, 1]. Propiedades térmicas Coeficiente de expansión térmica (10‐6/°C) punto de ablandamiento (°C) temperatura de transición (°C) calor específico (J/g‐°C) conductividad térmica (W/m‐°C). MPI feedstock. Acero. Polímero. 83,97 10 a 18 50 a 600 71,9 ‐ 40 a 150 53,92 1680 a 1800 0 a 150 0,4054 0,49 a 0,43 1,05 a 2,5 1,375 12 a 30 0,1 a 0,35 27.

(28) Tabla 5 [Ref. 29]: diferencias entre los polímeros tradicionales y el feedstock. En este caso el feedstock es de acero inoxidable.. 2.2.2. Molde La cavidad del molde se divide en 5 partes principalmente las cuales se muestran en la figura 11:. Compuerta Matriz Vela Corredo. Cavidad o pieza. Figura 11 [Ref. 1]: Partes de una cavidad de un molde.. La vela es una parte necesaria para poder realizar la etapa de expulsión pues esta parte jala la pieza hacia el plato móvil del molde. De las anteriores partes la de mayor complejidad y la que requiere de mayor cuidado en su diseño es la compuerta de la cavidad ya que allí se presentan las mayores tasas cortantes durante el moldeo y además es de las primeras partes en solidificarse. 2.2.3. Caídas de presión. Figura 12 [Ref. 13]: Caídas de presión durante la inyección a lo largo de toda la máquina. Tc es el tiempo del ciclo, ti es el tiempo de la inyección, thold es el tiempo de la presión de sostenimiento y Ps es la multiplicación de la presión hidráulica antes de transmitirla al pistón.. 28.

(29) En un proceso de inyección la presión que se puede leer con un manómetro es la presión hidráulica (Php o Ph). Sin embargo esta no es la presión que se genera en la punta del tornillo de inyección o en la entrada de la cavidad, ya que hay una serie de caídas de presión que se presentan a causa de la resistencia de los fluidos a fluir. La primera caída importante se encuentra entre Ph y Psc, esta pérdida de energía se genera por la fricción que hay en el pistón del tornillo de inyección sumada a la caída que hay entre el tornillo de inyección y el barril de inyección. Esta caída representa una pérdida aproximada de 5% de Ph. La segunda pérdida de presión importante se presenta entre Psc y Pc1 principalmente por la caída de presión cuando el fluido pasa por la boquilla de inyección. El resto de las caídas de presión se generan por la resistencia al flujo que genera el molde. De esto se puede concluir que no solo es necesario calcular las presiones de inyección en la entrada de la cavidad, también es importante calcular las caídas en las partes que se encuentran antes de esta parte del sistema para poder implementar el proceso en la inyectora de forma correcta [Ref. 13]. Por otra parte la diferencia de presiones entre la entrada a la cavidad (Pc1) y el final de esta (Pc3) generan un gradiente de densidad que debe ser corregido con la correcta selección de los parámetros de la máxima presión de inyección y de la fase de sostenimiento. 2.2.4. Fase de inyección La fase de inyección describe la parte del proceso entre el inicio del llenado del molde y el momento en el cual se hace el cambio a presión de sostenimiento, generalmente esta parte del proceso se hace regulando la velocidad de llenado del molde, sin embargo también se puede llevar a cabo controlando el perfil de presión en alguna parte de la cavidad. Usualmente el llenado del molde se realiza con una velocidad pequeña al principio, la cual se incrementa rápidamente para poder llenar la cavidad del molde en tiempos cortos con el fin de evitar la solidificación de la masa inyectable. Antes de que la cavidad se llene por completo es necesario disminuir la velocidad otra vez para hacer una transición suave entre el control de velocidad y el control de presión. Las velocidades deben ser pequeñas al principio y al final de la fase de inyección con el objeto de cuidar los elementos mecánicos del grupo de inyección y del grupo del molde; además de contribuir a producir piezas con buena calidad [Ref. 13, 6].. 29.

(30) Conclusiones: ‐ Control de flujo ‐ Propiedades de de flujo del material ‐ Resistencia al flujo ‐ Constancia de los parámetros de inyección como temperatura y presión de inyección.. Selección del punto de switchover ‐ Limitación de la presión de inyección. t0 – t1 llenado hasta la compuerta t2 Comienzo del aumento de presión en la cavidad t1 – t3 llenado completo de la cavidad t3 – t4 Compresión de la mezcla en la cavidad t4 – t5 Etapa de sostenimiento t5 dosificación de material. Cambio a presión de sostenimiento. ‐ Efecto de la presión de sostenimiento ‐ Ventilación del molde ‐ Duración de la presión de sostenimiento ‐ Oportunidad para ahorrar energía. Homogeneidad térmica. Figura 13 [Ref. 13]: Presión hidráulica y en la cavidad durante la fase de llenado. La figura 13 muestra un resumen del comportamiento de la presión en la cavidad durante un ciclo de inyección y la relación que tiene con respecto a la aplicación de la presión hidráulica. Es evidente que la información que se puede adquirir de la presión hidráulica es poca ya que el perfil de presión en la cavidad es muy diferente. Durante la fase de llenado la presión hidráulica aumenta de t0 a t1 a causa de la caída de presión en la boquilla y los canales de alimentación del molde “runners”. Después de que el material empieza a llegar a la cavidad la presión en esta zona empieza a aumentar a medida que aumenta la resistencia en el molde hasta que este se llena, una vez está lleno la presión en la cavidad aumenta rápidamente y se conoce como fase de empaquetamiento. La fase de empaquetamiento tiene como objetivo homogeneizar la cantidad de material que hay en cada zona del molde sin importar su geometría, además ayuda a eliminar posible vacios para poder asegurar una densidad homogénea a lo largo de toda la pieza. Cuando la fase de empaquetamiento ha finalizado se debe hacer la transición entre el control de velocidad y el control de presión (punto de switch‐over). Como se puede apreciar en la figura 21 después del punto de switch‐over la presión hidráulica disminuye y se debe mantener hasta que se solidifique el “gate” o la compuerta del molde del molde [Ref. 13].. 30.

(31) Figura 14 [Ref. 13]: Presión en la cavidad. La figura 22 muestra cuales son los parámetros que se deben controlar durante un proceso de inyección y los efectos que causan sobre las propiedades de la pieza. Durante la fase de inyección es necesario tener especial cuidado en: la velocidad de inyección, la temperatura del aceite, la viscosidad del material, la temperatura del material que se inyecta, la temperatura del molde y la dependencia del movimiento del tornillo de inyección con la presión. De la misma forma en la etapa de compresión o empaquetamiento se debe tener especial cuidado en la correcta selección del punto de switch‐over y en el control de la reserva de presión para asegurar que es suficiente para alcanzar la presión máxima en la fase de inyección. En resumen se puede decir que los factores anteriormente mencionados son los parámetros que se pueden regular para poder controlar el proceso de llenado de la cavidad [Ref. 13]. 2.2.4.1.. Velocidad de inyección y temperatura óptima. Para cada combinación de material y molde específico hay una serie de tiempos de llenado y temperaturas óptimas con el fin de disminuir la cantidad de esfuerzos residuales en la pieza. Los tiempos de llenado muy cortos resultan en caídas de presión bastante altos debido al alto flujo volumétrico. Por otra parte tiempos muy largos de inyección hacen que el canal por donde fluye el material se reduzca dramáticamente a causa de la solidificación de la masa inyectada lo que produce de la misma forma caídas de presión elevadas. Trabajar en zonas donde las caídas de presión son muy altas requerirá mayores presiones de inyección, lo que resultará en mayores esfuerzos residuales. A medida que los esfuerzos residuales son mayores la cantidad de grietas y deformaciones en la pieza será mayor y la calidad de las piezas disminuirá notablemente. Además durante la etapa de remoción de ligantes y sinterización estos defectos suelen amplificarse [Ref. 6].. 31.

(32) Figura 15 [Ref. 6]: Solidificación de la capa en las paredes de la cavidad del molde. Durante el llenado del molde hay una capa que se solidifica en las paredes de la cavidad a causa de la alta transferencia de calor entre el fluido y el molde, esta capa reduce el canal por donde fluye el material y se hace cada vez más grande a medida que aumentan los tiempos de llenado. Esta capa solidificada no se contrae a causa del enfriamiento ya que el choque térmico no permite un re ordenamiento de las cadenas con lo cual el volumen es constante. Como se puede observar el frente de flujo en la figura 15 tiene una forma de flujo de fuente debido a la baja velocidad cerca a la pared del molde a causa de la propiedad de no deslizamiento [Ref. 6].. Figura 16 [Ref. 6]: gráfica del desarrollo de la presión máxima de inyección a diferentes tasas de llenado con una misma temperatura de inyección. (Tc y τc) temperatura y esfuerzo cortante en la compuerta de la cavidad, (Tf y τf) temperatura y esfuerzo cortante en la parte más lejana de la compuerta del molde.. La figura 16 muestra el rango óptimo de la velocidad de llenado que usualmente tiene un material pseudoplástico a una temperatura de inyección dada. Primero que todo cabe resaltar que a tiempos muy pequeños de inyección la temperatura (Tf) aumenta debido a la disipación de energía por fricción entre la compuerta de la cavidad y el fluido, que finalmente se convierte en calor. Así mismo los esfuerzos cortantes son altos en (τc) debido a la alta tasa de flujo. Se puede ver también que para obtener tiempos de llenado muy pequeños son necesarios mayores niveles de presión de inyección (pc) [Ref. 6].. 32.

(33) A medida que aumenta el tiempo de llenado los esfuerzos cortantes disminuyen, de la misma forma que el calentamiento de la masa inyectable cerca de la compuerta de la cavidad a causa de la menor disipación de energía por fricción. Esto genera menores esfuerzos residuales lo que resulta en una mejor calidad de las piezas. Por otra parte, los esfuerzos cortantes en la parte de la cavidad más lejana a la compuerta aumentan principalmente por el mayor enfriamiento que se permitió al prolongar el tiempo de inyección. Finalmente hay un punto donde la presión de inyección empieza a aumentar otra vez debido al crecimiento de la capa que se solidifica en las paredes del molde, lo cual se puede comprobar ya que la temperatura en la parte más lejana del molde desciende radicalmente. Esto hace que para terminar de llenar el molde se necesite la aplicación de mayor presión aumentando los esfuerzos cortantes en la parte más lejana de la compuerta de la cavidad [Ref. 6, 21]. De acuerdo al anterior análisis se puede determinar un tiempo de llenado óptimo delimitado por dos factores principales. El primero es el punto en el que la masa no cambia su temperatura entre la entrada a la compuerta de la cavidad y la parte más lejana de esta. El segundo factor es determinado por el punto en el que se necesita la presión más baja para completar el llenado. Este rango se escoge bajo el fundamento teórico de que al haber una menor cantidad de esfuerzos cortantes durante la inyección también habrá una menor cantidad de esfuerzos residuales en la pieza. Este hecho se puede identificar al observar que este rango presenta las menores presiones de inyección [Ref. 6, 21]. Cuándo se va a hacer la implementación del proceso en una máquina inyectora se debe tener en cuenta que la presión máxima permitida en el tornillo debe ser suficiente para suministrar la presión utilizada por caídas de presión en el molde, en la boquilla y en el circuito hidráulico. Las caídas de presión en la boquilla y el circuito hidráulico suelen estar entre un 25% a 35% para la boquilla y un 5% para el circuito hidráulico del total de la caída de presión [Ref. 13]. 2.2.4.2.. Temperatura del molde. Como se explicó anteriormente el feedstock tiende a enfriarse rápidamente debido al alto coeficiente de conductividad térmica en comparación con los plásticos tradicionales lo que hace que las tasas de enfriamiento sean mayores. Sin embargo un molde precalentado ayuda a que esta tasa de enfriamiento disminuya debido a la menor diferencia de temperaturas entre la masa inyectable y las paredes de la cavidad del molde haciendo que se puedan tener etapas de llenado y de sostenimiento más largas. Esto inhibe la orientación de las cadenas durante la inyección ya que los largos tiempos de enfriamiento permiten que estas se orden y no mantengan la orientación que traían después del proceso de llenado del molde haciendo que la cantidad de esfuerzos residuales sea menor y disminuyendo el comportamiento anisotropico del encogimiento de la pieza durante la extracción de ligantes a causa de la orientación. Finalmente calentar el molde ayudará a disminuir las tasas cortantes durante el proceso ya que se pueden tener procesos de llenado más largos [Ref. 1]. La temperatura a la cual se puede calentar el molde está limitada por la mínima temperatura de cristalización del feedstock, ya que si el molde se calienta por 33.