AD-CAM
Moldes de Plastico
Maquinas para la fabricación de moldes ( Maquinas CNC), pasos de diseño y características de materiales plásticos adecuados para la inyección.
Javier Buitron
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1. Máquinas CNC
1.1 Torno control numérico
Torno de control numérico o torno CNC se refiere a una máquina herramienta del tipo torno que se utiliza para mecanizar piezas de revolución mediante un software de computadora que utiliza datos alfa-numéricos, siguiendo los ejes cartesianos X,Y,Z. Se utiliza para producir en cantidades y con precisión porque la computadora que lleva incorporado controla la ejecución de la pieza.
Fig. Torno CNC [1]
Un torno CNC puede hacer todos los trabajos que normalmente se realizan mediante diferentes tipos de torno como paralelos, copiadores, revólver, automáticos e incluso los verticales. Su rentabilidad depende del tipo de pieza que se mecanice y de la cantidad de piezas que se tengan que mecanizar en una serie.
1.1.1 Funcionamiento
Los ejes X, Y y Z pueden desplazarse simultáneamente en forma intercalada, dando como resultado mecanizados cónicos o esféricos según la geometría de las piezas. Las herramientas se colocan en portaherramientas que se sujetan a un cabezal que puede alojar hasta 20 portaherramientas diferentes que rotan según el programa elegido, facilitando la realización de piezas complejas.
En el programa de mecanizado se pueden introducir como parámetros la velocidad de giro de cabezal portapiezas, el avance de los carros longitudinal y transversal y las cotas de ejecución de la pieza. La máquina opera a
velocidades de corte y avance muy superiores a los tornos convencionales por lo que se utilizan herramientas de metal duro o de cerámica para disminuir la fatiga de materiales.
1.1.2 Arquitectura general de un torno CNC
Las características propias de los tornos CNC respecto de un torno normal universal son las siguientes:
a. Motor y cabezal principal
Este motor limita la potencia real de la máquina y es el que provoca el movimiento giratorio de las piezas, normalmente los tornos actuales CNC equipan un motor de corriente continua, que actúa directamente sobre el husillo con una transmisión por poleas interpuesta entre la ubicación del motor y el husillo, siendo innecesario ningún tipo de transmisión por engranajes.
Estos motores de corriente continua proporcionan una variedad de velocidades de giro casi infinita desde cero a un máximo determinado por las características del motor, que es programable con el programa de ejecución de cada pieza. Muchos motores incorporan dos gamas de velocidades uno para velocidades lentas y otro para velocidades rápidas, con el fin de obtener los pares de esfuerzo más favorables. El husillo lleva en su extremo la adaptación para los correspondientes platos de garra y un hueco para poder trabajar con barra.
b. Bancada y carros desplazables
Para poder facilitar el desplazamiento rápido de los carros longitudinal y transversal, las guías sobre las que se deslizan son templadas y rectificadas con una dureza del orden de 450 HB. Estas guías tienen un sistema automatizado de engrase permanente.
Fig. Guias de los carros [1]
Los husillos de los carros son de bolas templadas y rectificadas asegurando una gran precisión en los desplazamientos, estos husillos funcionan por el principio de recirculación de bolas, mediante el cual un tornillo sin fin tiene un acoplamiento a los respectivos carros. Cuando el tornillo sin fin gira el carro se desplaza longitudinalmente a través de las guías de la bancada. Estos tornillos carecen de juego cuando cambian de sentido de giro y apenas ofrecen resistencia. Para evitar los daños de una colisión del carro con algún obstáculo incorporan un embrague que desacopla el conjunto y detiene la fuerza de avance.
Cada carro tiene un motor independiente que pueden ser servomotores o motores encoder que se caracterizan por dar alta potencia y alto par a bajas revoluciones. Estos motores funcionan como un motor convencional de Motor de corriente alterna, pero con un encoder conectado al mismo. El encoder controla las revoluciones exactas que da el motor y frena en el punto exacto que marque la posición programada de la herramienta.
c. Portaherramientas
El torno CNC utiliza un tambor como portaherramientas donde pueden ir ubicados de seis a veinte herramientas diferentes, según sea el tamaño del torno, o de su complejidad. El cambio de herramienta se controla mediante el programa de mecanizado, y en cada cambio, los carros retroceden a una posición donde se produce el giro y la selección de la herramienta adecuada para proseguir el ciclo de mecanizado. Cuando acaba el mecanizado de la pieza los carros retroceden a la posición inicial de retirada de la zona de trabajo para que sea posible realizar el cambio de piezas sin problemas. El tambor portaherramientas, conocido como revólver, lleva incorporado un servomotor que lo hace girar, y un sistema hidráulico o neumático que hace el enclavamiento del revolver, dando así una precisión que normalmente está entre 0.5 y 1 micra de milímetro. Las herramientas tienen que ser ajustadas a unas coordenadas adecuadas en un accesorio externo a los tornos de acuerdo con las cotas que indique el programa. En la mayoría de los casos se trabaja con plaquitas intercambiables de metal duro, con lo cual, cuando se necesita reponer la plaquita, no hace falta desmontar el portaherramientas de su alojamiento.
Fig. Portaherramientas [1]
d. Accesorios y periféricos
Se conocen como accesorios de una máquina aquellos equipamientos que formando parte de la misma son adquiridos a un proveedor externo, porque son de aplicación universal para ese tipo de máquina. Por ejemplo la batería de un automóvil es un accesorio de mismo.
Todas las máquinas que tienen incorporado su funcionamiento CNC, necesitan una serie de accesorios que en el caso de un torno se concretan en los siguientes:
e. UCP (Unidad de Control de Proceso)
Gráficos dinámicos de sólidos y de trayectoriaEditor de perfiles Periféricos de entrada Periféricos de salida
1.2 Fresadora de control numérico
Una fresadora es una máquina herramienta de fabricación por arranque de viruta. Elimina material de un material bruto de partida utilizando cuchillas que rotan en torno a un eje, mientras que la pieza se mueve en las 3 direcciones del espacio (X-Y-Z). Esta combinación de movimientos (rotación y desplazamiento) crean la forma de la pieza deseada. Mediante los programas de Control Numérico (CNC) se puede producir más rápido, eficaz y con más exactitud.
Más recientemente se ha implantado los programas CAD/CAM, que permiten fabricar una
pieza introduciéndole nada más que el plano en un programa de CAD.
Las cuchillas pueden ser de varios tipos. Desde Acero Rápido al Carbono (HSS) hasta las últimas plaquitas de Vanadio, pasando por las herramientas de Widia (Nombradas así por el nombre del primer fabricante). Tienen diferentes formas y utilidades, dependiendo del mecanizado y de las características superficiales que se deseen obtener en la pieza final.
1.2.1 Operaciones realizables en una Fresadora a. Fresado
El fresado es la operación de mecanizado que más se utiliza en una Fresadora. Se utiliza una fresa, una
herramienta cilíndrica parecida a una broca pero
generalmente sin punta cónica. Esta herramienta elimina material por la superficie cilíndrica, ideal para realizar mecanizados en superficies planas y para realizar un agujero de casi cualquier forma en una pieza de partida.
b. Aplanado/Planeado
Es la creación de una cara totalmente plana. La fresa avanza durante toda la cara a aplanar, eliminando material. Dependiendo de la dirección del eje de la fresa el aplanado tiene diferentes nombres. Si el eje de la fresa está en una dirección paralela a la cara a planear, estamos hablando de un Planeado Jony down Segun ISO. Periférico. Si el eje de la fresa está en una dirección perpendicular a la cara a planear, estamos hablando de un Planeado Frontal, pues se utilizan los filos del frente de la fresa.
c. Fresado Combinado
Se habla de fresado combinado cuando se utilizan los filos de las caras frontales y laterales de la fresa conjuntamente. Es importante para realizar este tipo de fresado, asegurarnos de que la fresa permite utilizar los filos
frontales de la misma. Si se utilizan mas los filos frontales, hablamos de un Fresado Combinado Predominantemente Frontal. En el caso de utilizar mas los filos de la cara cilíndrica estaremos realizando un Fresado Combinado Predominantemente Periférico.
d. Ranurado
Mediante esta operación se puede crea una ranura de cualquier forma, desde rectangular, hasta de cola de milano, utilizadas para guías de otras máquinas o mecanismos. En esta operación se puede penetrar mientras se ranura. FALTA INFORMACIÓN (borrado por alguien)
e. Taladrado
La forma de trabajar de la fresadora permite realizar taladrados, ya que solo hay que mover el eje vertical para realizar esta operación. Algunas fresas permiten también ser utilizadas como bocas, pero es preferible utilizar bocas para realizar esta operación, para evitar roturas de las fresas.
f. Mandrinado
Esta operación permite mejorar la calidad superficial de un agujero. Se utilizan herramientas parecidas a las de un torneado interior en el torno. El resultado es una mejora de la calidad superficial del agujero, con una calidad menor a la de un escariado convencional.
g. Escariado
Se utiliza el escariado para eliminar muy poco material de agujeros, mejorando notablemente la calidad
superficial del mismo. Es necesario el previo taladrado del agujero a un diámetro cercano al final, pues el escariado no elimina
mucho material. Es necesario la utilización de
lubricantes, para mejorar el resultado final y alargar la vida del escariador.
h. Roscado
Utilización de un macho (roscar un agujero) o de una terraja
(Roscado exterior) para realizar una rosca. Muy utilizado para unir piezas mediante tornillos o tuercas. Es una operación delicada, pues las herramientas poseen varios filos pequeños, éstos crean mucha tensión y es fácil que se partan en plena ejecución del roscado. Haciendo muy difícil su extracción. Por ello es importante utilizar aceites de corte para lubricar los filos.
1.3 Centro de mecanizado
Un centro de mecanizado es una máquina altamente automatizada capaz de realizar múltiples operaciones de maquinado en una instalación bajo CNC (control numérico computarizado) con la mínima intervención humana. Las
operaciones típicas son aquellas que usan herramientas de corte rotatorio como cortador y brocas. Este sistema de mecanizado destaca por su velocidad de producción como ventaja y los altos costos como desventaja.
Fig. Centro de Mecanizado [3]
Existen centros de mecanizado de una gran variedad de tamaños, tipos, funciones y grados de automatización. Sus costos están comprendidos en el rango de 50000 hasta 1000000 de euros o más. Sus potencias nominales llegan a 75kW y las velocidades de husillo de las máquinas más usadas tienen límites de 4000-8000 RPM. Algunas mesas inclinables son capaces de soportar piezas de más de 7000Kg de peso.
En la actualizad se construyen muchas máquinas en forma modular, de tal modo que se pueden instalar y modificar diversos equipos y accesorios periféricos, según se necesite en los cambios de productos a manufacturar.
1.3.1 Aspectos generales
• Los centros de mecanizado poseen las siguientes características:
• Son reconfigurables, por lo que pueden cambiar
rápidamente de configuración para realizar diferentes tareas de mecanizado sobre una pieza.
• La flexibilidad y versatilidad debida al alto grado de automatización las hace capaces de realizar diversas operaciones de mecanizado de una pieza.
• La uniformidad en la producción, que es importante en las producciones en serie.
• Alta velocidad de producción, ya que realizan gran cantidad de operaciones de forma automática sobre la pieza.
• Buen acabado superficial, lo que las hace aptas para dar forma final a las piezas fabricadas.
• Una máquina de herramienta CNC se difiere de una máquina de herramienta convencional en los siguientes aspectos:
• El operario puede manejar varias máquinas CNC a la vez.
• No se necesita consultar apenas el plano.
• El programa tiene todo el control de los parámetros de corte.
• Existe la posibilidad de realizar prácticamente cualquier tipo de mecanizado.
• Tiene un elevado costo de máquinas, accesorios y mantenimiento.
• Se necesita mantener grandes volúmenes de producción para amortizar costes.
1.4 Electroerosión
La electroerosión es un proceso de fabricación, también conocido como Mecanizado por Descarga Eléctrica o EDM (Por su nombre en inglés, Electrical Discharge Machining).
El proceso de electroerosión consiste en la generación de un arco eléctrico entre una pieza y un electrodo en un medio dieléctrico para arrancar partículas de la pieza hasta conseguir reproducir en ella las formas del electrodo. Ambos, pieza y electrodo, deben ser conductores, para que pueda establecerse el arco eléctrico que provoque el arranque de material .Básicamente tiene dos variantes:
El proceso que utiliza el electrodo de forma, conocido como Ram EDM, donde el término ram quiere decir en inglés "ariete" y es ilustrativo del "choque" del electrodo contra la pieza o viceversa (pieza contra el electrodo).
La que utiliza el electrodo de hilo metálico o alambre fino, WEDM (donde las siglas describen en inglés Wire Electrical Discharge Machining),
1.4.1 Proceso de electroerosión con electrodo de forma
Durante el proceso de electroerosión la pieza y el electrodo se sitúan muy cercanos entre sí, dejando un hueco que oscila entre 0,01 y 0,05 mm, por el que circula un líquido dieléctrico (normalmente aceite de baja conductividad).
Al aplicar una diferencia de tensión continua y pulsante entre ambos, se crea un campo eléctrico intenso que provoca el paulatino aumento de la temperatura, hasta que el dieléctrico se vaporiza.
Al desaparecer el aislamiento del dieléctrico salta la chispa, incrementándose la temperatura hasta los 20.000 °C, vaporizándose una pequeña cantidad de material de la pieza y el electrodo formando una burbuja que hace de puente entre ambas.
Al anularse el pulso de la fuente eléctrica, el puente se rompe separando las partículas del metal en forma gaseosa de la superficie original. Estos residuos se solidifican al contacto con el dieléctrico y son finalmente arrastrados por la corriente junto con las partículas del electrodo.
Dependiendo de la máquina y ajustes en el proceso, es posible que el ciclo completo se repita miles de veces por segundo. También es posible cambiar la polaridad entre el electrodo y la pieza.
El resultado deseado del proceso es la erosión uniforme de la pieza, reproduciendo las formas del electrodo. En el proceso el electrodo se desgasta, por eso es necesario desplazarlo hacia la pieza para mantener el hueco constante. En caso que el desgaste sea severo, el electrodo es reemplazado. Si
se quiere un acabado preciso (tolerancia de forma +-0.05 mm es preciso la utilización de 2 electrodos).
La rugosidad superficial (vdi) que se obtiene en un proceso de electroerosión por penetración puede establecerse previamente, dentro de unos límites, al programar la máquina. Esta rugosidad puede variar entre 48 vdi (acabado muy rugoso) y 0 vdi (acabado sin rugosidad pero imposible de conseguir, un 26 vdi es un acabado casi perfecto) Las tasas de arranque de material con electrodo de forma son del orden de 2 cm3/h.
1.4.1.1 El electrodo de forma
El electrodo es comúnmente hecho de grafito pues este, por tener una elevada temperatura de vaporización, es más resistente al desgaste. Puede ser trabajado en una fresadora específica con el fin de crear ya sea un electrodo macho o un electrodo hembra, lo que significa que el electrodo tendrá la forma opuesta a la forma deseada y resultante en la pieza de trabajo.
También el cobre es un material predilecto para la fabricación de electrodos precisos, por su característica conductividad, aunque por ser un metal suave su desgaste es más rápido. El electrodo de cobre es ideal para la elaboración de hoyos o agujeros redondos y profundos. Comúnmente estos electrodos se encuentran de diámetros con tamaños milimétricos en incrementos de medio milímetro y longitudes variadas. Este proceso en particular es muy utilizado para antes del proceso de electroerosión con hilo, para producir el agujero inicial donde pase el hilo a través de un grosor de material que es inconveniente al taladro convencional. Si deseamos un buen acabado en el objeto a erosionar , sea cual sea el material en que se construya el electrodo este debe ser repasado a mano después ser mecanizado en la fresadora o torno debido a las marcas que las herramientas de corte utilizadas en estas máquinas producen pequeñas marcas en los electrodos.
1.4.2 Proceso de electroerosión con hilo
Es un desarrollo del proceso anteriormente descrito, nacido en los años de la década de los 70, y por consiguiente, más moderno que el anterior, que sustituye el electrodo por un hilo conductor; además, este proceso tiene mejor movilidad. Las tasas de arranque de material con hilo rondan los 350 cm3/h.
La calidad, material y diámetro del hilo, en conjunción al voltaje y amperaje aplicado, son factores que influyen directamente la velocidad con que una pieza pueda ser trabajada. También, el grosor y material de la pieza dictan ajustes para el cumplimiento del corte.
El acabado deseado en el proceso también es un factor de consideración que afecta el tiempo de ciclo de manufactura, pues el acabado que este proceso deja en la pieza puede ser mejorado cuanto más pases semi-repetitivos de corte sobre la misma superficie son ejecutados.
1.4.2.1 Hilo conductor
El hilo metálico puede ser fabricado de latón o de zinc (y molibdeno, en caso de máquinas de hilo recirculante). En prácticas de protección al medio
ambiente, después del uso y descarte del hilo empleado y sus residuos, el material del hilo, ya sea en forma de hilo o éste pulverizado, es acumulado separadamente con el fin de ser reciclado.
Existen varios diámetros en el mercado, incluyendo 0.010” (0,25mm) y 0.012”
(0,30mm). Generalmente el hilo se vende en rollos y por peso, más que por su longitud.
La tensión del hilo es importante para producir un corte efectivo, y por consiguiente una mejor parte; la sobretensión del hilo resulta en que este se rompa cuando no sea deseado. Más la ruptura del hilo es común durante el proceso, y también es necesaria. En unos talleres, los encendedores comunes se utilizan como una forma práctica de cortar el hilo.
1.4.2.2 Máquinas de electroerosión con hilo
A diferencia de las máquinas de electroerosión con electrodo de forma a las que la polaridad aplicada puede ser invertida, la polaridad en el proceso de electroerosión con hilo es constante, o sea que la "mesa" o marco donde las piezas son montadas para ser trabajadas es tierra; esto significa que es de polaridad negativa. El hilo, por consiguiente, es el componente mecánico al que la carga positiva es dirigida.
Todas las máquinas reciben un hilo a modo que éste se tensione en forma vertical (axial "Z"), para producir cortes y movimientos en axiales "X" e "Y".
Mas en su mayoría, las máquinas de electroerosión con hilo tienen la capacidad de mover sus componentes para ajustar el hilo vertical y producir un ángulo limitado de corte (axiales "U" y "V"). En maquinaria más elaborada, la
2. Moldes de inyección de plásticos
2.1 Funciones del molde para inyección de plástico.
Es necesario que el diseñador conozca y siempre tenga en mente las funciones básicas del molde de inyección de plásticos, de esta manera siempre se asegurará de que algún mecanismo o sistema implementado cumpla con los propósitos fundamentales para los que un molde es creado, así mantendrá el costos de manufactura y diseño lo más óptimo posible.
• Recibir el material fundido de la unidad de inyección.
• Dar la forma geométrica requerida a la pieza, con las dimensiones, tolerancias y acabados superficiales requeridos por el diseño.
• Enfriar el fundido hasta solidificarlo.
• Soportar las presiones de inyección, sostenimiento y cierre durante todo el ciclo de moldeo.
• Mantener la pieza enfriando hasta que se presente la mayor cantidad de contracciones en la pieza.
