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DISEÑO DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE UN MOLDE DE INYECCIÓN DE TAPAS REUSABLES DE POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD (PEBD)
Guillermo Antonio Babilonia Sánchez1, Rolando Esteban Simeón Monet2 José Arzola Ruiz3. 1
Laboratorio CAD/CAM, Universidad Politécnica Territorial de Aragua “Federico Brito Figueroa”, La Victoria, Estado Aragua, República Bolivariana de Venezuela, 2Centro de Estudio CAD/CAM, Universidad de
Holguín “Oscar Lucero Moya”. Holguín, República de Cuba. 3Centro de Estudios de Matemáticas para las Ciencias Técnicas, Instituto Superior Politécnico “José Antonio Echeverría, La Habana, República de Cuba
1e-mail:gbabilonia@yahoo.es, 2e-mail: simeon@cadcam.uho.edu.cu, 3e-mail: jarzola@cemat.cujae.edu.cu
RESUMEN.
En este trabajo se describe el diseño de un sistema de enfriamiento para un molde de inyección de 4 cavidades de tapas de PEBD de 26,66 gramos cada una, que permita cumplir con las exigencias de producción y calidad de la empresa Total Plastic C.A. En tal sentido, se logró establecer el dimensionamiento de los canales y la configuración del enfriamiento en el molde. Esto se realizó a partir del diseño conceptual del sistema enfriamiento y con el apoyo de la simulación computacional del proceso de moldeo por inyección de termoplásticos a través del Método de Elementos Finitos (MEF). Con esta tecnología fue posible la evaluación y ajuste iterativo de los componentes del sistema de enfriamiento del molde y la variación de las condiciones para su funcionamiento. Asimismo y con el fin de garantizar las exigencias de calidad de las molduras, se consideraron los resultados obtenidos en la simulación del alabeo, la contracción lineal y volumétrica diferencial.
Palabras Claves. Diseño, Moldes, Inyección, Enfriamiento, Termoplásticos. ABSTRACT.
In this paper it is described the design of a cooling system for an injection mold of 4 cavities PEBD caps which could fulfill the production and quality demands of the Total Plastic company. For this purpose, it was established the dimensioning of the channels and the configuration of the mold cooling. This was done taking into consideration the conceptual design of the cooling system. It was also used the computer simulation tool for the thermoplastic injection molding process using the finite elements methodology. With this technology, it was possible the evaluation and the iterative adjustment of the components of the mold cooling system. It was also done the variation of conditions for their operation. Likewise and to guarantee the quality demands of molds, there were considered the results obtained in the wrap simulation, in the lineal contraction and in the volumetric difference.
Keywords. Design, Molds, Injection, Cooling, Thermoplastics.
1. INTRODUCCIÓN
El enfriamiento es una función principal de los moldes de inyección en la producción de artículos plásticos y por lo tanto un elemento primordial durante el proceso de diseño de los mismos. El enfriamiento en los moldes determina la calidad de las piezas moldeadas en relación a las contracciones diferenciales, el alabamiento, las líneas de soldaduras y los rechupes, entre otros defectos que pueden surgir. Influye además (en mayor medida) en el tiempo total del ciclo, lo que afecta directamente la factibilidad económica del moldeo por inyección [1] [2]. Estas aplicaciones computacionales permiten evaluar a través de la simulación de la transferencia de calor por el método de los elementos finitos (MEF) las diversas alternativas para el enfriamiento del molde bajo
distintas condiciones de funcionamiento. Esto finalmente logra un enfriamiento balanceado que permite alcanzar las exigencias de calidad y de producción del artículo.
Los objetivos en el diseño del sistema de enfriamiento de los moldes de inyección son: maximizar la transferencia de calor, mantener una temperatura uniforme en las superficies de las piezas, minimizar el costo, disminuir la complejidad y el volumen del molde, reducir los esfuerzos y la corrosión y facilitar el uso de esta herramienta. [1] [2]. El diseño del sistema de enfriamiento del molde que se presenta en este trabajo, consistió en la definición del concepto del molde bajo la asesoría del personal de la empresa Total Plastic C.A., el establecimiento del sistema de alimentación y de sus condiciones de funcionamiento. A partir de estos, se estableció el sistema de enfriamiento en las placas fijas y móviles del molde que garantizan las exigencias de calidad del producto.
2. DISEÑO CONCEPTUAL DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
La tapa que será moldeada se denomina “retapa” en el argot de los embotelladores de agua. Esta es empleada en el sello de los botellones del líquido de 18 litros de capacidad . La misma está conformada como se muestra en la Fig. 1.
El diseño conceptual del sistema de refrigeración del molde de la retapa fue realizado tomando en cuenta: la experiencia del personal de Total Plastic C.A, las analogías de sistemas de efriamientos de moldes de productos similares y las recomendaciones de la literatura especializada. El objetivo propuesto fue el obtener un rápido enfriamiento de la pieza a través de la mayor tasa de transferencia de calor posible entre el material plastificado en la cavidad y el fluido refrigerante (Agua) que circula por los canales de enfriamiento. En tal sentido, se ubicaron los canales de enfriamiento lo más cercano a las cavidades con una geometría de sencilla construcción sin comprometer el funionamiento del molde ni la resistencia estructural del mismo [1] [3] [4]. En la Fig. 2 se puede observar con la vista superior y la vista en seción del ensamble del molde el diseño conceptual establecido para el sistema de enfriamiento. Es importante resaltar que la extracción de calor se concentró en la zona de la tapa. En la parte fija del molde, se establecieron dos circuitos en paralelo para el enfriamiento en serie de 2 cavidades con sección circular en la placa y sección en forma de semitoroidal en los postizos hembras. Para la placa móvil del molde se definieron 2 circuitos en paralelo destinados al enfriamiento simultáneo por burbujeo de los machos en las cuatro cavidades. [1][2][5] [6]
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En la Tabla 1, se describen las principales caracteristicas geométricas y dimensionales del enfriamiento y las condiciones del proceso de moldeo establecidos para el diseño conceptual.
3. SIMULACIÓN COMPUTACIONAL DEL ENFRIAMIENTO
Para definir en detalle el sistema de enfriamiento del molde de la retapa, se procedió a realizar la simulación del proceso de enfriamiento a través del MEF con una herramienta computacional especializada.
Condiciones iniciales de la simulación
Las condiciones iniciales para la simualción computacional del proceso de inyección se establecieron a partir de las condiciones establecidas en el diseño conceptual y las recomendaciones para el procesamiento del PEBD Tabla 1. Diseño conceptual del sistema de enfriamiento para el estudio de este.
Descripción Condiciones del proceso
Parte Fija Parte Móvil
Temperatura Boquilla [ºC] molde [ºC] Extracción [ºC] Fluido (agua) [ºC] Zona tapa
Canal de sección de media circunferencia
ø canal =14 mm
Placa porta hembra Canal de sección circular ø canal = 14 mm Machos Enfriamiento por burbujeo ø interno=10,42 mm, ø externo= 38 mm. Placa de enfriamiento Canal de sección circular øCanal =14 mm.
225 40 45 25
a .Vista superior b. Vista de sección
del fabricante de la máquina de inyección. Asimismo, se realizaron cálculos analíticos empleando la metodologia propuesta por Sánchez [6]. Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 2.
Tabla 2. Condiciones iniciales de la simulación del proceso de inyección
Parámetro Valor Unidad de Medida
Temperatura de la masa fundida 225,00 [ºC]
Temperatura para el molde 40 [ºC]
Presión de inyección 60-135 [Mpa]
Presión de sostenida 30-80 [Mpa]
Carrera de inyección 27,00 [mm]
Tiempo de inyección 2,337 [s]
Velocidad de inyección 167,00 [cm3/s]
Tiempo de enfriamiento 13,12 [s]
Modelación computacional del diseño conceptual del enfriamiento
En la Fig. 3 se puede apreciar el modelo del diseño conceptual del sistema de enfriamiento para la simulación computacional del proceso de inyección. Construido a partir de elementos tipo fusión: tamaño promedio de 5 mm, relación de aspecto promedio de 3,404, porcentaje de equivalencia entre elementos (Match percentage) de 75,5% y porcentaje de reciprocidad (Reciprocal percentage) de 63,3%. El material empelado fue un PEBD de índice de fluidez de 1,85 g/min (18,5 g/10min) y con una densidad de 0,918 g/cm3. La máquina de inyección que se empleará es de marca Arburg modelo Allrounder 570 C.
En principio se simuló y analizó el llenado y la compactación del modelo y se obtuvo los resultados que se presentan en la Tabla 3
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Figura 4. Perfil de temperaturas en la cavidad para el Ensayo 1 Tabla 3. Condiciones del llenado y compactación
Parámetro Valor Unidad de Medida
Tiempo de inyección 0,54 [s]
Presión de inyección 54,34 [MPa]
Fuerza de cierre 42,50 [Ton]
Velocidad de inyección 80,00 [cm3/s]
Temperatura de la masa en
la cavidad 225,00
[ºC]
Posición inicial tronillo 32,00 [mm]
Presión de compactación 54,34 [MPa]
Tiempo de compactación 5,00 [s]
Ensayos realizados
La simulación computacional del enfriamiento realizado en este trabajo consistió en realizar nueve ensayos, en cuales se evaluó y ajustó el diseño del sistema de enfriamiento hasta obtener uno más uniforme en las molduras de la cavidad. Es decir, que al momento de la expulsión, la diferencia de temperatura de las piezas en la cavidad misma no excede los 10 ºC [8]. Asimismo, se persigue obtener un enfriamiento eficiente con el cual se garantice la calidad de las molduras y la factibilidad económica del proceso. Razón por la cual, es necesario minimizar los problemas de contracción, tensiones residuales y distorsiones de las piezas. [2] [1]
Para cada ensayo, se realizaron análisis de llenado, compactación, enfriamiento, contracción y alabamiento con el sistema computacional especializado. Las condiciones empleadas en la simulación para el llenado y la compactación del molde fueron presentadas en la Tabla 3.
Ensayo 1
En este ensayo, se evaluó el diseño conceptual del sistema de enfriamiento para las condiciones que se muestran en la Tabla 1. Los resultados obtenidos permitieron valorar en el momento de expulsión, que las molduras presentarían en la zona del anillo una diferencia de temperatura mayor a 35°C en relación con la temperatura del fondo de la tapa.
Esta diferencia de temperatura evidencia contracciones diferenciales del material durante el enfriamiento; lo cual originará distorsiones y alabamientos significativos en la geometría de la pieza afectando así la calidad del producto. En tal sentido, para el ensayo 2 se propuso extraer calor de la zona del anillo y agregar circuitos de enfriamiento en la parte fija del molde
Ensayo 2
En el modelo presentado en la Fig. 5, se pueden observar los circuitos de enfriamiento que fueron agregados a la parte fija del molde para este ensayo. Con estos circuitos, se incorporó al diseño del sistema de enfriamiento la posibilidad de extraer calor de la zona del anillo.
A continuación se presenta la descripción geométrica y dimensional del diseño del sistema de enfriamiento propuesto para el ensayo 2 (Tabla 4).
Tabla 4. Descripción del diseño del sistema de enfriamiento analizado en el Ensayo 2
Parte Fija Parte Móvil
Zona tapa:
Canal de sección de media circunferencia ø canal =14 mm
Zona del anillo:
Canal en forma de aro de sección cuadrada de 10,5 mm,
Placa porta hembra Canal de sección circular Ø canal = 14 mm (tapa) Ø canal = 10 mm (anillo) Machos Enfriamiento por burbujeo Ø interno=10,42 mm, ø externo= 38 mm Placa de enfriamiento Canal de sección circular Ø Canal =14 mm
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La simulación del proceso de inyección con las condiciones presentadas en la Tabla 1 del diseño del sistema de enfriamiento configurado para este ensayo, presentó un gradiente de temperaturas en las molduras similar a los resultados obtenidos en el ensayo 1. (Fig. 5)
Al mantenerse el gradiente de temperaturas, se optó por aumentar el caudal de refrigerante que circularía por los circuitos de enfriamiento de los anillos.
Ensayo 3
Para aumentar el caudal del refrigerante, se incrementaron las dimensiones de la sección transversal de los canales de refrigeración que conforman los circuitos de enfriamiento la zona del anillo. Esto se presenta en la Tabla 5. También se mantuvo las condiciones del proceso que se presentaron en la Tabla 1.
Al evaluar los resultados obtenidos, se evidenció que al aumentar las dimensiones de la sección transversal de los canales de enfriamiento se disminuye la tasa de transferencia de calor en la misma zona. Razón por la que se incrementó el gradiente de temperatura con respecto a otras zonas de la pieza. (Fig.6). Tabla 5. Descripción del diseño del sistema de enfriamiento analizado en el Ensayo 3
Parte Fija Parte Móvil
Zona tapa:
Canal de sección de media circunferencia ø canal =14 mm
Zona del anillo:
Canal en forma de aro de sección cuadrada de 14,5 mm,
Placa portahembra Canal de sección circular Ø canal = 14 mm (tapa) Ø canal = 14 mm (anillo)
Machos
Enfriamiento por burbujeo
Ø interno=10,42 mm, ø externo= 38 mm
Placa de enfriamiento Canal de sección circular ØCanal =14 mm
Los resultados de este ensayo demostraron que al aumentar la sección de los canales de los circuitos de enfriamiento efectivamente se aumenta el caudal del fluido refrigerante. Sin embargo, también disminuyeron la presión y el flujo turbulento del agua, lo cual afectó la potencia de enfriamiento del sistema en la zona del anillo.
Por otra parte, se empezó a valorar la posibilidad de un enfriamiento excesivo en la zona de la tapa. En tal sentido, se decidió evaluar el diseño del sistema de enfriamiento sin los circuitos de la parte móvil del molde.
Ensayo 4
El diseño del sistema de enfriamiento para este ensayo mantuvo la configuración de la parte fija del molde del Ensayo 2, que se presentó en la Tabla 4 y las condiciones del proceso de la Tabla 1. Para la parte móvil se descartaron circuitos de enfriamiento como se muestra en la Fig. 7
Figura 7. Modelo del análisis computacional para el Ensayo 4 Figura 6. Perfil de temperaturas en la cavidad para el Ensayo
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Con los resultados obtenidos, se evidenció la disminución del gradiente de temperaturas en las molduras al suprimir la potencia de enfriamiento de la parte móvil del molde. (Fig. 8)
En detalle, se observó que el máximo gradiente de temperatura entre las zonas del anillo y la tapa descendió a 13 ºC aproximadamente. Asimismo, la temperatura promedio de las molduras alcanzó los 58 °C y la temperatura promedio del molde a 45°C. Por otra parte, la contracción volumétrica bajó de 13,31% a 13,24% para el momento de la expulsión de la pieza.
Una vez alcanzada una configuración en el diseño del sistema de enfriamiento que además permitió el enfriamiento balanceado de las molduras, se inició el ajuste de las condiciones del proceso
Ensayo 5
En este ensayo se establecieron nuevas condiciones del proceso de inyección tomando como referencia condiciones de proceso reales empleadas en la producción de molduras similares de la empresa Total Plastic, C.A. (Tabla 6)
Para estas condiciones, se analizó por separado los diseños del sistema de enfriamiento determinados para las partes fijas del molde de los Ensayos 2 y 3 y presentadas en las Tablas 4 y 5 respectivamente. Además, se mantuvo la ausencia de circuitos de enfriamiento para la parte fija del molde.
Los resultados obtenidos con la simulación evidenciaron que con las condiciones del proceso de establecidas para este ensayo, sin enfriamiento en la parte móvil y con el diseño del sistema de enfriamiento empelado en la parte fija del Ensayo 3 (Tabla 5), se permitiría el enfriamiento balanceado de las molduras, con un gradiente máximo de temperaturas de 6 °C como se puede apreciar en la Fig. 9. Tabla 6. Condiciones del proceso de inyección para el Ensayo 5
Temperatura Boquilla [ºC] Molde [ºC] Extracción [ºC] Agua [ºC] 225 40 45 25
Sin embargo, según la experiencia del personal de Total Plastic, C.A., con el fin de mantener estables las condiciones del proceso de inyección en prolongados períodos de trabajo, es necesario controlar la temperatura de los machos que conforman la cavidad del molde. En tal sentido, fue necesario incorporar en el diseño del sistema de enfriamiento, circuitos de enfriamiento en la parte móvil del molde.
Ensayo 6
Este ensayo consistió en analizar el diseño del sistema de enfriamiento determinado hasta el Ensayo 6, con la incorporación de circuitos en la parte móvil del molde que permiten el enfriamiento por burbujeo de los machos tal como se aprecia en la Fig. 10.
Figura 10. Modelo del análisis computacional para el Ensayo 6 Figura 9. Perfil de temperaturas en la cavidad para el Ensayo 5
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El rediseño del enfriamiento por burbujeo se realizó de acuerdo a la siguiente relación [6]:
(1)
En la Tabla 7, se presenta la descripción dimensional y geométrica de la configuración determinada para el diseño del sistema de enfriamiento del molde de inyección en la producción de la retapa.
Asimismo, para este ensayo se mantuvieron las condiciones del proceso de inyección empleadas en el Ensayo 5. Sin embargo, se estableció a 30 °C la temperatura del agua para los circuitos de enfriamiento de la parte fija del molde.
Con la simulación computacional aplicada para evaluar el diseño del sistema de enfriamiento bajo las condiciones del proceso establecidas para este ensayo, se pudo observar que el máximo gradiente de temperatura en la moldura es menor a 10°C en el momento de la expulsión (Fig. 11). Esto evidencia un enfriamiento homogéneo garantizando así la calidad del producto.
Tabla 7. Descripción del diseño del sistema de enfriamiento analizado en el Ensayo 6
Parte Fija Parte Móvil
Zona tapa:
Canal de sección de media circunferencia ø canal =14 mm
Zona del anillo:
Canal en forma de aro de sección cuadrada de 14,5 mm
Placa portahembra Canal de sección circular Ø canal = 14 mm (tapa) Ø canal = 14 mm (anillo)
Machos
Enfriamiento por burbujeo
Ø interno=14,4 2 mm, Ø externo= 19,41 mm
Placa de enfriamiento Canal de sección circular Ø Canal =14 mm
4. CONCLUSIONES
Un elemento primordial durante el proceso de diseño de un molde lo constituye la configuración del sistema de enfriamiento, ya que este determina la calidad de las piezas moldeadas en relación a las contracciones diferenciales, el alabamiento, las líneas de soldaduras y rechupes, entre otros defectos que podrían surgir. Por otro lado, también influye (en mayor medida) en el tiempo total del ciclo que afecta directamente la factibilidad económica del moldeo por inyección
A partir de los resultados durante la simulación computacional del proceso de inyección de termoplásticos, se comprobó que al variar la posición, distribución y geometría de los canales de enfriamiento, así como también la temperatura del polímero del molde y del fluido bajo el principio de garantizar un enfriamiento uniforme, es posible garantizar la calidad requerida en las piezas que serán moldeadas con un proceso de inyección económicamente factible
BIBLIOGRAFÍA.
1. KAZMER, O DAVID Injection Mold Design Engineering. Cincinati, Ohio USA, 2007.
2. MENGES-MOHREN Moldes para la inyección de plásticos. Gustavo Gili S.A. 1990, Barcelona , España.
3. MOLDFLOW Co. Plastics Insight Help. 2006
4. MORALES R. (2000) Metodología a seguir en el diseño de un molde de inyección utilizando herramientas de computación (CAD/CAM/CAE. Trabajo de ascenso no publicado, Universidad Simón Bolívar, Sartenejas Baruta.
5. BODINI, G Y CACCHI, F. (1992). Moldes y máquinas de inyección. (Segunda edición), Naucalpan de Juárez, México: Editorial Mc Graw Hill.
