Termoformado del compuesto polietileno de alta densidad con refuerzo lignocelulosico

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(1)TERMOFORMADO DEL COMPUESTO POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD CON REFUERZO LIGNOCELULOSICO. JOSUÉ LEONARDO BEJARANO ARÉVALO. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE MECANICA BOGOTÁ D.C. 2003.

(2) TERMOFORMADO DEL COMPUESTO POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD CON REFUERZO LIGNOCELULOSICO. JOSUÉ LEONARDO BEJARANO ARÉVALO. Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico. Asesor JORGE ALBERTO MEDINA PERILLA Ingeniero Mecánico, Dr. Ing. Industrial. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE MECANICA BOGOTÁ D.C. 2003.

(3) TABLA DE CONTENIDO. Pág.. INTRODUCCIÓN. 1. 1. PROCESO DE TERMOFORMADO. 4. 1.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO. 4. 1.1.1 Calentamiento. 5. 1.1.2 Formado. 5. 1.1.3 Enfriamiento. 5. 1.1.4 Corte. 6. 1.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES PARA TERMOFORMADO. 6. 1.2.1 Memoria plástica. 7. 1.2.2 Elongación en caliente. 7. 1.2.3 Resistencia en caliente. 7. 1.2.4 Rango de temperatura de formación. 8. 1.3 VARIABLES DEL PROCESO DE TERMOFORMADO. 8. 1.3.1 Variables en la lámina. 9. 1.3.1.1 Espesor de lámina. 9. 1.3.1.2 Orientación de la lámina. 9. 1.3.1.3 Temperatura de la lámina. 9. 1.3.1.4 Pigmentación de la hoja. 10. 1.3.2 Variables del molde. 10. 1.3.2.1 Orificios de vacío. 10. 1.3.2.2 Superficie del molde. 11. 1.3.2.3 Temperatura del molde. 12. 1.3.3 Variables en el pre-estirado. 12.

(4) 1.3.3.1 Temperatura del aire. 12. 1.3.4 Otras variables involucradas. 13. 1.4 GUÍA DE PROBLEMAS Y SOLUCIONES. 14. 1.5 MOLDE S PARA TERMOFORMADO. 19. 1.5.1 Criterios para el diseño de productos termoformados. 20. 1.5.2 Criterios para el diseño del molde de termoformado. 20. 1.5.2.1 Adelgazamiento en el espesor del material. 23. 1.6 MATERIALES. 24. 1.6.1 Polietileno de alta densidad. 24. 1.6.2 Descripción del cisco de café. 25. 1.6.3 Agente acoplante. 26. 2 MATERIALES Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. 28. 2.1 DESCRIPCIÓN DEL POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD. 28. 2.2 DESCRPCIÓN DEL AGENTE ACOPLANTE. 29. 2.3 DESCRIPCIÓN DE LA MEZCLA. 30. 2.4 TAMIZADO DEL REFUERZO. 31. 2.5 SECADO Y MEZCLADO. 32. 2.6 PELETIZACIÓN DEL MATERIAL. 35. 2.7 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL. 37. 2.7.1 Propiedades de tensión. 38. 2.7.1.1 Preparación de las probetas. 38. 2.7.1.2 Montaje de la prueba de tensión. 40. 2.7.2 Resistencia al impacto. 40. 2.7.2.1 Preparación de las probetas. 41. 2.7.2.2 Montaje de la prueba de impacto. 42. 2.8 MOLDEO POR COMPRESIÓN. 42. 2.8.1 Equipos empleados en el moldeo de lamina. 43. 2.8.2 Parámetros seleccionados para el moldeo de lamina. 44.

(5) 2.9 TERMOFORMADO DE LAMINA. 46. 2.9 HERRAMIENTAS USADAS PARA EL TERMOFORMADO. 46. 2.9.1.1 Termoformadora. 46. 2.9.1.2 Molde. 47. 2.9.2 Variables del proceso particular de termoformado. 50. 2.9.3 Determinación de la temperatura de desmolde. 51. 2.9.4 Metodología empleada en la determinación de la ventana de operación. 52. 2.9.5 Pruebas realizadas al producto terminado. 53. 2.9.5.1 Ensayo de compresión del producto termoformado. 53. 3 ANALISIS DE RESULTADOS. 55. 3.1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL. 55. 3.1.1 Resultados de la prueba de tensión. 55. 3.1.2 Resultados obtenidos en la prueba de impacto. 57. 3.2 TERMOFORMADO DE LA LAMINA. 57. 3.2.1 Resultados obtenidos de la prueba de vícat. 57. 3.2.2 Ventana de operación del proceso. 58. 3.2.3 Evaluación cualitativa de las laminas. 61. 3.3 PRUEBA AL PRODUCTO TERMINADO. 62. 3.3.1 Resultado del ensayo de compresión. 62. CONCLUSIONES. 65. BIBLIOGRAFÍA. 67. ANEXOS. 69.

(6) LISTA DE ANEXOS. Pág.. A. RESULTADOS PRUEBAS DE CARACTERIZACIÓN. 70. A.1 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE TENSIÓN. 70. A.2 RESULTADOS DE LA PRUEBA DE IMPACTO. 71. B. PLANOS DEL MOLDE PARA TERMOFORMADO. 72. C. VENTANA DE OPERACIÓN DE TERMOFORMADO. 75. D. DATOS PRUEBA DE COMPRESIÓN. 76.

(7) INDICE DE TABLAS. Pág.. Tabla No. 1 Rangos de temperatura usados en el proceso de termoformado para diferentes termoplásticos. (plastics handbook). 10. Tabla No. 2 Propiedades mecánicas de PE + cisco 50-50% a diferentes concentraciones de anhídrido (García, Diego Iván). 27. Tabla No. 3 Resumen propiedades del Polietileno de alta densidad (HDPE) (Química Comercial Andina S.A., Ref. GF4950). Tabla No. 4 Parámetros de extrusión empleaos en el proceso de peletización. 29. 36. Tabla No. 5 Parámetros empleados en la fabricación de probetas mediante el método de moldeo por compresión. 39. Tabla No. 6 Parámetros usados en la realización de lamina en el moldeo por compresión.. 44. Tabla No. 7 Ensayo de tensión. Resistencia a la tensión. Norma ASTM D638. 55. Tabla No. 8 Ensayo de tensión. Modulo de elasticidad. Norma ASTM D638. 56. Tabla No.9 Resultados prueba de resistencia al impacto tipo Izod. Norma ASTM D256 57.

(8) Tabla No. 10 Resultados obtenidos de la prueba de vícat. 57. Tabla No. 11 Limite superior e inferior de termoformado para una lamina del compuesto HDPE – Cisco de café.. 60. Tabla No. 12 Carga máxima soportada por la pieza termoformada a 140°C. 62. Tabla No. 13 Carga máxima soportada por la pieza termoformada a 150°C. 63. Tabla No. 14 Carga máxima soportada por la pieza termoformada a 160°C. 63. Tabla No. 15 Carga máxima soportada por la pieza termoformada a 170°C. 63. Tabla No. 16 Carga máxima soportada por la pieza termoformada a 180°C. 64.

(9) ÍNDICE DE FIGURAS. Pág.. Figura No. 1 Orificios de vacío. 21. Figura No. 2 Curvatura en superficies planas. 22. Figura No. 3 Ángulo de salida. 22. Figura No. 4 Parámetros del % de adelgazamiento. 23. Figura No. 5 Estructura del Polietileno de Alta Densidad. 24. Figura No. 6 Cisco de café. 25. Figura No. 7 Tamiz. 32. Figura No. 8 Horno BLUE M(izq.) y recipiente utilizado (der.). 33. Figura No. 9 Unidad de tamboreo. 34. Figura No. 10 Muestra de material mezclado. 35. Figura No. 11 Dado peletizador montado en el Brabender. 36.

(10) Figura No. 12 Rompimiento de hilos. 37. Figura No. 13 Compuesto peletizado. 37. Figura No. 14 Probetas de tensión e impacto. 39. Figura No. 15 Montaje de tensión en maquina universal INSTRON 5586. 40. Figura No. 16 Fresado de entalla en probetas para impacto. 41. Figura No. 17 Maquina de ensayo de impacto. 42. Figura No. 18 Prensa de moldeo marca Dake. 43. Figura No. 19 Molde usado en el moldeo por compresión. 44. Figura No. 20 Termoformadora ILLIG SB53C. 47. Figura No. 21 Molde de termoformado. 49. Figura No. 22 Medidor de temperatura vícat. 51.

(11) Figura No. 26 Pieza con poca definición al alcanzar limite inferior. 58. Figura No. 27 Pieza con mala apariencia al alcanzar limite el limite superior. 59. Figura No. 28 Pieza termoformada con la mejor definición. 60. Figura No. 29 Porosidades de la lamina termoformada. 62. Figura No. 30 Resultados de los ensayos de compresión. 64.

(12) IM-2003-II-04. INTRODUCCIÓN. A través de los últimos años a nivel mundial se han desarrollado compuestos reforzados con materiales lignocelulósicos con el fin de aplicarse en diversas situaciones. Estos compuestos nacieron de la necesidad de reemplazar fibras que se habían utilizado por muchas décadas y que resultaban ser costosas para la producción y también para el entorno ambientalista. Estos refuerzos eran generalmente materiales minerales o fibras de cristal, donde era necesario el uso de componentes muy pesados y resistentes que en algunos casos la utilización de estas fibras podía prescindirse y reemplazarse por fibras donde presenten menores densidades, mas flexibles y menos contaminantes. En búsqueda de estas características se encontró que una buena alternativa, era el uso de fibras naturales que muestran buenas propiedades mecánicas, costos bajos y características que no presentan las fibras de cristal y minerales.. Este tipo de materiales ya se han desarrollado en muchos campos entre los cuales el compuesto de matriz termoplástica y madera es el que a tenido mayor trayectoria en su aplicación. Dentro de las múltiples aplicaciones en las que se ha incursionado los compuestos naturales se encuentra la industria automotriz. En este gran sector ya se han dado múltiples avances en la aplicación de estos materiales. Estos materiales son usados en la producción de accesorios internos de un automóvil, como los que se encuentra los tableros de instrumentos, los paneles de las puertas y demás adornos internos.. En el mundo de la industria automotriz han demostrado un especial interés sobre las fibras de yute, cáñamo, kenaf, sisal entre otras debido a su flexibilidad y que se tienen fibras mas largas que las obtenidas en la madera. Este tipo de fibras han sobresalido debido a los estudios que les ha hecho los países que tienen estas plantas. Entre los países se encuentra India como uno de los mayores impulsadores de esta tecnología,. 1.

(13) IM-2003-II-04. Brasil como uno de los países suramericanos pioneros en este campo, Estados Unidos y Europa occidental como los grandes consumidores de este material.. Teniendo todas estas referencias sobre la aplicabilidad que tienen estos materiales compuestos, el Centro de Investigación en Procesamiento de Polímeros (CIPP), del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes ha venido desarrollando tecnología en el campo de los compuesto naturales o lignocelulosicos desde los últimos años. Reemplazando la madera y algunos polímeros en algunas aplicaciones. El objetivo principal es el de crear nuevas alternativas viables para evitar la deforestación y apoyar los programas de reciclaje de resinas poliméricas.. El material desarrollado en el CIPP y que se utiliza en este proyecto tiene intención de crear una nueva alternativa utilizando material autóctono de la región, como lo es el material de refuerzo cisco de café manejado en este compuesto. Se han desarrollado múltiples investigaciones en el departamento con el fin de ampliar esta tecnología. Entre las que se encuentran las desarrolladas en la caracterización de nuevos materiales empleando variadas matrices y refuerzos entre las que encontramos los proyectos de Rodríguez 2000, Correa 2002, Morales 2002, García 2002 y Muñoz 2002 entre otros. Y se encuentran las adelantadas para la aplicación o la viabilidad del uso de estos materiales en procesos de manufactura, para obtener un nuevo producto. Con miras a ampliar la investigación en el ultimo campo de desarrollo de los nuevos materiales, este documento centra su atención en el estudio del compuesto de polietileno de alta densidad y cisco de café en el proceso de termoformado.. En la primera unidad se encontrara una breve descripción del proceso del termoformado y sus alcances en el mundo de los termoplásticos nombrando sus variables y características involucradas en dicho proceso.. En el capítulo dos se encuentra consignado toda la descripción del proceso de preparación del material, desde la etapa de tamizado para la selección de partículas a. 2.

(14) IM-2003-II-04. utilizar, continuando con el proceso de secado, mezclado y peletizado del material compuesto. En este capitulo se encuentra una breve caracterización de este material centrándose en las propiedades mecánicas del mismo como son los ensayos de tensión y de impacto.. El capítulo siguiente se encuentra la descripción del proceso de formado de las laminas, que serán el material a usar en el proceso de termoformado. En este capitulo se encuentra consignado los equipos utilizados y montajes necesarios para la elaboración de las laminas.. Finalmente en el capitulo cuatro se encuentra todo el proceso de termoformado del compuesto, encontrándose los equipos utilizados, descripción de los métodos para la selección de los parámetros involucrados en el proceso. Este capitulo concluye con la evaluación de las laminas termoformadas desde el punto de vista cualitativo como desde el cuantitativo por medio de una prueba de compresión.. Este estudio es un eslabón muy pequeño en la gran cadena del desarrollo e investigación de nuevas alternativas en el campo de los polímeros, pero que servirá como base para nuevas investigaciones en el ciclo de evolución de los productos termoformados. Es de resaltar el hecho que esta investigación se centra en el desarrollo del material desde el punto de vista técnico del material, pero hay que profundizar en los temas de factibilidad económica para analizar la viabilidad de este material y proceso a nivel industrial.. 3.

(15) IM-2003-II-04. 1. PROCESO DE TERMOFORMADO. La palabra termoformado - compuesta por las raíces termo y formado – describe el proceso en el cual se trasforma una lamina o película de un material termoplástico en un producto terminado.. El presente capitulo, describe el proceso de termoformado haciendo énfasis en las variables involucradas en dicho proceso y en las características del material empleado.. 1.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO. Los termoplásticos rígidos al ser calentados por encima de la temperatura de vícat (Ts) muestran una reducción en su modulo de elasticidad y rigidez. Estos cambios se aceleran a temperaturas mayores a la temperatura de transición vítrea (Tg), debido al cambio de energía entre los enlaces intermoleculares.. El proceso se divide en 5 etapas generales: •. Calentamiento. •. Formado. •. Enfriamiento. •. Corte. •. Apilado. 4.

(16) IM-2003-II-04. 1.1.1. Calentamiento. En el proceso de termoformado inicia desde un material termoplástico anteriormente procesado para obtener la película o lamina termoplástica. Dicho material es calentado por encima de la temperatura de transición vítrea (Tg) pero por debajo de su temperatura de fundido (Tm), obteniendo así una lamina en estado visco – elástico. Este calentamiento se logra por medios infrarrojos, contacto, inmersión o convección.. 1.1.2. Formado. Obtenida la temperatura superior a la temperatura de transición vítrea (Tg), se aumenta la elongación, desaparece prácticamente el limite de cedencia y la disminución del limite de resistencia ultima a la tensión.. Una vez la lamina se encuentra en la temperatura optima de termoformado, esta es obligada a tomar los contornos del molde, bien sea por medios mecánicos (herramientas, machos) y/o por medios neumáticos (diferencial de presión por la aplicación de aire comprimido o generación de vació entre el molde y la lamina), donde se procura mantener la temperatura de la lamina constante. El efecto final es una lamina con la forma deseada, la cual fue sometida a un estiramiento biaxial que tiene como consecuencia un adelgazamiento de la lamina, proporcional al nivel de estiramiento a que fue sometido cada sector.. 1.1.3. Enfriamiento. Terminada la etapa de formado es necesario eliminar gran parte del calor suministrado en el ciclo de calentamiento con el fin de bajar la temperatura de la lamina hasta la temperatura de desmolde, de otra forma puede ocurrir alabeos y distorsiones en la pieza. Este ciclo se logra por medio de métodos convectivos o conductivos, teniendo especial precaución en evitar los inconvenientes que estos pueden ocasionar en corridas largas de termoformado. 5.

(17) IM-2003-II-04. (como lo es la temperatura del molde en convectivos y los esfuerzos residuales en el método conductivo).. En esta etapa es recomendable para obtener un buena tolerancia, el molde deberá ser un poco mas grande que la pieza final, con el fin de prever la contracción del material y a su vez se sostendrá la presión de vacío durante este tiempo de operación.. 1.1.4. Corte. Después de que el ciclo de formado ha terminado, las piezas deberían ser cortadas para eliminar el material excedente, rara vez la pieza final no requiere del corte, como en el caso de anuncios luminosos. La mayor parte de los productos termoformados requieren algún tipo de corte.. Se debe seleccionar el equipo y la técnica adecuados; de cualquier modo existen algunos factores que determinan la selección, como es el caso de la medida de la hoja, el tamaño y profundidad de la pieza, el nivel aceptable de aspereza de la superficie del corte, la tolerancia dimensional requerida y la velocidad de corte entre otros.. 1.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES PARA TERMOFORMADO. Básicamente cualquier material termoplástico puede clasificar para ser termoformado, pero es prescindible resaltar las características y propiedades de estos materiales, que juegan un papel fundamental en el proceso.. 6.

(18) IM-2003-II-04. 1.2.1 Memoria plástica. La mayoría de los termoplásticos tienen una buena elasticidad en el momento de ser calentados, dando así una orientación de las cadenas poliméricas en el momento de aplicarse una carga al material. Cuando la parte termoformada es llevada a la temperatura de formación, esta tendera a regresar a su estado original, que en este caso se trata de la lamina no-orientada. Este fenómeno se llama memoria plástica y puede ser empleado para llevar acabo correcciones en los contornos de una parte terminada.. 1.2.2. Elongación en caliente. Se ha mencionado que los materiales termoplásticos pueden ser elongados en caliente, pero esta característica es dependiente del material y de la velocidad y temperatura que es sometido en el proceso. De tal forma unos pueden incrementar entre 500%-600% sobre su área original, mientras otros solamente permiten un 15% o 20%1.. 1.2.3. Resistencia en caliente. Los materiales termoplásticos al ser llevados a la temperatura de formación se vuelven altamente viscosos facilitando su procesamiento. Sin embargo hay materiales que en esta condición presentan una alta resistencia y es necesario el uso de medios mecánicos para su conformado, perdiendo en la mayoría de los casos detalles proporcionados por el molde.. 1. FRIED, Joel R. Plastics Engineering Handbook of the society of the plastic industry, cuarta edición, Van Nostrand Company, 1976.. 7.

(19) IM-2003-II-04. 1.2.4. Rango de temperatura de formación. Los termoplásticos empleados en el proceso de termoformado no tienen un punto de viscoelasticidad marcado, por lo tanto su ablandamiento es proporcional al aumento de la temperatura.. Este rango puede ser extenso o por el contrario corto, dependiendo directamente del material empleado.. Uno de los factores que se tiene. cuenta en la selección de un material para ser. termoformado es el entrecruzamiento de las moléculas o la masa molecular, ya que a mayor grado de estos factores se necesitará de mayor energía para poder romper los enlaces secundarios y provocar un deslizamiento de moléculas.. 1.3. VARIABLES DEL PROCESO DE TERMOFORMADO. Existen en el proceso de termoformado variables que afectan la apariencia, calidad, dimensiones y distribución del material en la pieza termoformada. Dichas variables pueden ser agrupadas en tres grupos: •. Variables en la lamina.. •. Variables del molde.. •. Variables en el pre-estirado.. A continuación se describirá cada uno de los grupos de variables del proceso.. 8.

(20) IM-2003-II-04. 1.3.1. Variables en la lámina. 1.3.1.1. Espesor de lámina. Cuando se utilizan medios de calentamiento como lo son resistencias eléctricas o radiación infrarroja, las variaciones en el calibre de lamina pueden provocar calentamiento desigual ocasionando variaciones en la parte formada. Se recomienda tener variaciones en el espesor de lamina menores a un 8%. En piezas muy profundas existirá un espesor de lamina, que dependerá del espesor de lamina inicial, del área y de la profundidad de la pieza. En los casos donde se encuentre variaciones del espesor entre hoja y hoja se deberá reducir la temperatura de calentamiento para evitar un reablandamiento mayor del material.. 1.3.1.2. Orientación de la lámina. La orientación de la lamina, obtenida en el calandrado en el proceso de extrusión, juega un papel importante en el proceso de termoformado. Esta orientación asegura una estabilidad dimensional y medidas con tolerancias más bajas, debido a un mínimo de encogimiento o expansión del material durante el ciclo de calentamiento y moldeo. Debido al proceso utilizado en la fabricación de la lamina que cubre este documento, esta variable no esta presente en la lamina, por lo tanto no se profundizara en sus efectos que tiene esta en la lamina termoformada.. 1.3.1.3.Temperatura de la lámina. Todo material termoplástico presenta temperaturas especificas de procesamiento. En la tabla No. 1 se muestra temperaturas empleadas en el proceso de termoformado, para diferentes termoplásticos.. 9.

(21) IM-2003-II-04. Material. Temperatura de Límite inferior de Temperatura de Límite superior desmolde °C procesamiento °C formación °C de formación °C. HDPE ABS PS ACRILICO PVC. 82 85 85 85 66. 127 127 127 149 93. 146 146 146 177 118. 182 182 182 193 149. Tabla No. 1 Rangos de temperatura usados en el proceso de termoformado para diferentes termoplásticos. (plastics handbook) Dentro de la tabla es posible mostrar un rango de temperatura en el cual puede realizar un proceso de termoformado exitoso ya que teniendo la temperatura de degradación del material de refuerzo se encuentra en 180 °C, se puede tomar todo el rango de temperaturas del polietileno de alta densidad, sin embrago es necesario asegurar que la lamina alcance todas las partes del molde antes que la matriz llegue al limite inferior de formación.. 1.3.1.4. Pigmentación de la hoja. Las diferentes pigmentaciones del mismo material, influye en el ciclo de calentamiento y temperatura de la lámina cuando se utiliza radiación (resistencias eléctricas) para su calentamiento.. 1.3.2. Variables del molde. 1.3.2.1.Orificios de vacío. En el proceso de vacío es necesario un optimo tamaño de orificios de vacío. Teniendo en cuenta que estos afectan la velocidad con que se genera el vacío, estos determinaran una buena calidad del producto termoformado.. 10.

(22) IM-2003-II-04. Para lograr un buen acabado en la pieza se debe obtener un estiramiento por vacío rápido. En un vacío lento las paredes que toquen el molde se enfriaran mas rápido que el resto de la lámina, dando una distribución no uniforme del material en el molde.. El vacío se hace a través de los orificios en las paredes del molde sobre todo en lugares donde se tiene las partes criticas del molde, como lo son las partes mas profundas y en zonas donde el aire pude quedar atrapado en el ciclo.. Es necesario que el tamaño de los orificio sea lo suficientemente grandes para obtener un buen vacío pero a la vez que no deje marcas en la pieza final. El tamaño de los orificios recomendado por el Plastics Engineering Handbook son de 0.021 in y 0.0135 in (0.53mm – 0.34mm) cuando se emplean láminas delgadas y diámetros de 0.035 in y 0.020 in (0.89mm – 0.51mm) para láminas de mayor espesor.. Otra factor importante que se debe tener en cuenta es el especiado entre los orificios de vacío. En casos donde se necesite un gran detalle de las formas del molde el Plastics Engineering Handbook recomienda utilizar un espaciado hasta de 0.25in (6.35mm) o cuando sea posible utilizar canales o ductos de vacío por su mayor disposición en el desplazamiento de aire.. 1.3.2.2. Superficie del molde. En el momento del termoformado es importante tener en cuenta que el producto final adquirirá la apariencia de la superficie del molde. En un acabado espejo de la superficie se tendrá un superficie brillante en el producto final, sin embargo un acabado mate en la superficie del molde resultara un producto opaco.. En el caso que se desee obtener superficies derrapantes u otras similares, estas por lo menos deberán ser tres veces mayor que el espesor del material.. 11.

(23) IM-2003-II-04. 1.3.2.3.Temperatura del molde. La temperatura en la superficie del molde influye directamente en una mejor apariencia de la pieza formada, en la duración de los ciclos de formado y el tamaño de la pieza. El encogimiento final de una pieza termoformada dependerá de que la temperatura aproximada del molde sea similar al coeficiente de expansión térmica del material.. Por otro lado la fuerza gravitacional puede colapsar o deformar la pieza formada. Dado este factor, la temperatura del molde debe estar por debajo de esta temperatura de vícat que será la temperatura de desmolde.. 1.3.3. Variables en el pre-estirado. Cuando se desea obtener productos de grandes profundidades o altos grados de termoformabilidad requiriendo halados profundos, es necesario un pre-estiramiento de la lámina, bien sea estirando o soplando una burbuja con el fin de obtener un distribución homogénea del material en el producto final.. La burbuja obtenida debe tener aproximadamente el mismo espesor que se desea en la zona inferior del producto termoformado, debido a que una vez la lámina toca la superficie del molde, el estiramiento adicional que sufre en los puntos de contacto es mínimo.. 1.3.3.1.Temperatura del aire. A menudo es deseable que el aire del sistema sea precalentado; la temperatura del aire en un ambiente que se introduce al sistema puede provocar que la hoja se enfríe, afectando el tamaño y la forma de la pieza. En materiales de espesor delgado, el problema de enfriamiento es más severo. Con aire precalentado, la temperatura deberá estar alrededor de un 10% debajo de la temperatura de la hoja. Es recomendable instalar un deflector o difusor. 12.

(24) IM-2003-II-04. de aire en la entrada del molde ya que puede prevenir un enfriamiento brusco en ciertas zonas del material.. 1.3.4. Otras variables involucradas. Adicional a los tres grupos de variables ya mencionados, se encuentran un cuarto grupo de variables que afectan en termoformados de alta profundidad o requieren un estiramiento profundo. Estas variables que son inherentes a las ayudas mecánicas o machos ayudadores. Estas variables son: •. Forma de la ayuda mecánica.. •. Material de la ayuda.. •. Temperatura de la ayuda.. •. Superficie de la ayuda.. •. Altura de la ayuda.. •. Velocidad de vacío de la ayuda.. •. Profundidad de acción de la ayuda.. Debido a la técnica de termoformado cubierta por este documento no incluye ayuda mecánica, no entrara en detalle en el estudio del efecto que tienen estas variables en el proceso.. 13.

(25) IM-2003-II-04. 1.4. GUÍA DE PROBLEMAS Y SOLUCIONES. En el proceso de termoformado a parte de tener varias variables, que determinan una buena calidad del producto final, también se encuentran algunos problemas inherentes a el. Con este fin se hará una lista de problemas con sus posibles causas y soluciones2.. DEFECTO - Burbuja o ampolla en la hoja.. - Detalles y formas incompletas. - Cambio de color en la hoja. CAUSA - Humedad excesiva. - Calentamiento muy rápido. - Calentamiento no uniforme.. SOLUCION - Presecar la hoja. - Calentar los dos lados de la hoja a 60° C (140° F). - Reducir la temperatura del horno. - Incrementar la distancia entre la hoja y el calefactor. - Verificar y arreglar el horno. - Verificar elementos calefactores. - Vacío insuficiente - Eliminar obstrucciones en - Desplazamiento del vacío el sistema de vacío. lento - Incrementar número de - Calentamiento insuficiente perforaciones. de la hoja - Aumentar diámetro de perforaciones. - Mayor capacidad de tanques y bomba de vacío. - Fuga de línea. - Verificar el sistema de vacío por posibles fugas. - Utilizar canales de vacío en áreas posibles. - Aumentar temperatura o tiempo de calentamiento. - Calentamiento excesivo - Reducir tiempo de - Baja temperatura del molde calentamiento.. 2. Lista sacada PLASTIGLAS DE MEXICO, S.A. DE C.V., Manual técnico de termoformado, www.plastiglas.com.mx. 1999.. 14.

(26) IM-2003-II-04. - Baja temperatura de la ayuda mecánica. - La hoja se adelgaza demasiado. - Enfriamiento de la hoja antes de completar su forma. - Inadecuado diseño de molde. - Material no adecuado.. - Disminuir temperatura del horno. - Calentar molde. - Calentar ayuda mecánica. - Incrementar el espesor de la hoja. - Colocar más rápido la hoja en el molde. - Aumentar velocidad de vacío. - Calentar el molde y ayuda mecánica. - Disminuir profundidad del molde. - Mejorar el flujo de aire de vacío. - Usar radios de curvatura mayores. - Cambio material. - Alabeo o pandeo excesivo - Hoja muy caliente. - Disminuir tiempo de de la hoja. - Hoja demasiado grande en calentamiento. área. - Disminuir temperatura del horno. - Si es posible, reducir el tamaño de la hoja. - Utilizar pantallas, principalmente en el centro de la hoja (sólo para hornos con calentamiento infrarrojo). - Marcas por enfriamiento en - Hoja demasiado caliente - Disminuir la temperatura la pieza formada - Ayuda mecánica con del molde. insuficiente temperatura - Disminuir tiempo de - Baja temperatura del molde calentamiento. (El encogimiento cesa - Elevar la temperatura de la cuando hace contacto con el ayuda . molde o ayuda fría). - Usar fieltro o franela suave en la superficie de la ayuda. - Elevar temperatura del molde y/o ayuda, sin exceder los rangos de temperatura. - Suavizar y/o redondear el. 15.

(27) IM-2003-II-04. - Pequeñas arrugas o marcas circulares.. - Variación en el pandeo de la hoja.. - Arrugas durante el formado.. - Líneas o zonas muy brillantes.. - Mala apariencia de la superficie de la pieza.. molde en áreas críticas. - Disminuir la temperatura del molde. - Disminuir tiempo de calentamiento. - Rellenar y barrenar nuevamente a un diámetro más pequeño. - No hay uniformidad de - Verificar que el horno no temperatura en la hoja. tenga corrientes de aire, es necesario incorporar deflectores. - Excesivo calentamiento de - Disminuir temperatura del la hoja. horno. - Excesivo pandeo de la hoja. - Disminuir tiempo de - Vacío insuficiente. calentamiento. - En la medida de lo posible, aumentar la distancia entre los calefactores y hoja (sólo para hornos de calentamiento por radiación infrarroja). - Disminuir el rango de temperatura de moldeo. - Verificar sistema de vacío. - Incrementar orificios de vacío o canales. - Hoja sobrecalentada en el - Utilizar pantallas para área de brillo. disminuir el calor en la zona. - En la medida de lo posible, incrementar la distancia entre calefactores y la hoja (Sólo en hornos de calentamiento por radiación infrarroja). - Disminuir el tiempo de calentamiento. - Defecto causado por aire - Sandblastear la superficie atrapado sobre la superficie del molde. lisa del molde. - Incrementar el número de - Vacío insuficiente. orificios de vacío. - Excesiva temperatura del - Si las marcas aparecen molde. aisladas, incrementar el - Insuficiente temperatura del número de orificios de vacío - Hoja muy caliente. - Barrenos de vacío muy grandes.. 16.

(28) IM-2003-II-04. molde. - Superficie del molde demasiado áspera o rugosa. - Hoja sucia.. - Distorsión excesiva o encogimiento después de desmoldar la pieza.. - Excesivo adelgazamiento del espesor de la pared de la pieza.. en la zona afectada . - Disminuir la temperatura del molde. - Incrementar temperatura del molde. - Suavizar la superficie del molde. - Hacer otro molde con otro material. - Limpiar la hoja. - Pieza desmoldada - Prolongar el ciclo de demasiado rápido. enfriamiento. - Pasar la pieza a una plantilla de enfriamiento. - Utilizar algún refrigerante. - Utilizar vapor de agua en spray para disminuir la temperatura de la pieza. - Utilizar ventiladores eléctricos para enfriar la pieza dentro del molde. - Técnica inadecuada de - Utilizar otra técnica de formado. formado: vacío con retorno, - Variación en el espesor del presión de aire y ayuda material. mecánica, presión de aire y - Calentamiento desigual de retorno con vacío. la hoja. - Verificar que el material se - La hoja está a una encuentre dentro de las temperatura excesiva. normas de calidad y/o - Molde frío. solicitar reclamación del - La hoja no está firmemente material. sujeta en el marco. - Verificar la operación del horno. - Disminuir la temperatura del horno. - Disminuir tiempo de calentamiento. - Calentar el molde. - Incrementar presión de cierre. - Verificar posible variación en el espesor de la hoja.. 17.

(29) IM-2003-II-04. - Torcedura de las piezas.. - Pieza no enfriada convenientemente. - Distribución desigual del espesor de la pared. - Diseño de molde inadecuado. - Diseño inadecuado de la pieza. - Temperatura insuficiente del molde.. - Marcas de encogimiento en - Superficie del molde las esquinas. demasiado lisa. - Vacío insuficiente.. - Pre-estiramiento de la burbuja no uniforme.. - Insuficiente temperatura de la hoja. - Espesor desigual de la hoja. - Presión de aire insuficiente.. - Esquinas de espesor delgado en formados de profundidad.. - Técnica de formado inadecuada. - Hoja de espesor delgado. - Calentamiento no uniforme de la hoja - Calentamiento inadecuado del molde.. 18. - Ajustar el ciclo de enfriamiento. - Usar ayuda mecánica o técnica de pre-estiramiento. - Posible calentamiento desigual de la hoja. - Incrementar orificios de vacío. - Modificar molde. - En la medida de lo posible, modificar las áreas planas con una pequeña curvatura. - Incrementar temperatura del molde. - Sandblastear la superficie del molde. - Verificar sistema de vacío. - Agregar más orificios de vacío. - Verificar condición de operación del horno. - Utilizar pantallas de enfriamiento (Sólo en hornos de calentamiento por radiación infrarroja). - Mayor tiempo de calentamiento a una menor temperatura . - Incorporar un sistema de distribución de aire con deflectores. - Cambiar a otra técnica de formado. - Incrementar espesor de hoja. - Verificar la operación del horno. - Utilizar pantallas para cambiar la distribución de calor. - Cambiar la temperatura del molde..

(30) IM-2003-II-04. - La pieza se amarra a la ayuda mecánica.. - La pieza se amarra al molde.. - Las esquinas de la pieza formada se estrellan una vez en servicio.. 1.5. - Ayuda mecánica (madera). - Ayuda mecánica (metal).. - Aplicar agente desmoldante. Cubrir con fieltro o franela suave. - Aplicar agente desmoldante. - Bajar temperatura de la ayuda. - Cubrir con fieltro o franela. - Alta temperatura de la - Prolongar el tiempo de pieza. enfriamiento. - El ángulo de salida del - Disminuir temperatura del molde es insuficiente. molde. - Molde construido en - Dar ángulo entre 1° y 3°. madera. - Cambiar a molde hembra. - Aplicar agente desmoldante. - Inadecuado diseño de la - Rediseñar la pieza. pieza. - Aumentar el radio de - Concentración de esfuerzos curvatura del molde. en la pieza. - Aumentar la temperatura de termoformado. - Asegurarse que la pieza ha sido completamente formada antes de que se enfríe por debajo de la temperatura de moldeo.. MOLDES PARA TERMOFORMADO. En el proceso de termoformado de una pieza es importante tener en cuenta la técnica empleada para este fin, ya que si se tiene la técnica inadecuada para realizar el producto es muy probable no tener las especificaciones adecuadas que se tenían en un principio en la pieza final y en muchos casos se puede tener un fracaso con las consecuentes perdidas de. 19.

(31) IM-2003-II-04. dinero, tiempo y recursos. Con esto en cuenta se enumerará un lista preliminar de los factores relevantes en el diseño de un molde: ƒ. La forma y dimensiones de la pieza.. ƒ. La apariencia deseada.. ƒ. La técnica de termoformado.. Con base en estos factores, se podrá planear y anticipar posibles defectos de las piezas. A continuación se mostrara las posibles variables que se tienen en el proceso de fabricación de un molde.. 1.5.1. Criterios para el diseño de productos termoformados. Es de mencionar que la técnica de termoformado aunque versátil y flexible, difiere en cuanto apariencia y características en comparación con productos fabricados por otros procesos (moldeo por inyección). Por tal motivo es imperante exponer las características principales de un producto termoformado. ¾ Se considerara un adelgazamiento en el espesor del material, dependiendo de la forma, tamaño y técnica utilizada. ¾ Deberá considerarse un ángulo de salida de moldeo entre 3° y 5°. ¾ Se observara una contracción de la pieza del 0.6 y el 1% al enfriar. ¾ La superficie de la pieza dependerá del pulido que tenga la superficie del molde. ¾ En el diseño de la pieza es conveniente incluir radios de curvatura grandes. Aunque es posible tener aristas, esto podría ocasionar rasgadura en el material.. 20.

(32) IM-2003-II-04. 1.5.2. Criterios para el diseño del molde de termoformado.. En el diseño de un molde (teniendo en cuenta las anteriores consideraciones), es el volumen de producción de piezas uno de los factores mas relevantes, ya que este marca o determina el tipo de molde, material, acabado, técnica de temoformado, etc.. En el momento de escogencia del tipo de molde, es importante cual es la profundidad de la pieza termoformada, ya que según lo aconsejado por el Manual Técnico Termoformado, para piezas que requieran una profundidad menor a la mitad del ancho de la pieza es posible la utilización de un molde hembra de lo contrario es mas indicado el uso de un molde macho.. En los moldes se deberá tener los orificios de vacío con tal de desalojar rápida y mejor forma el aire. También es importante la escogencia de la posición de estos orificios para tener un perfecto estiramiento del material y que tome todas las geometrías que tenga el molde. En casos que se quiera lograr un efectivo vacío se podrá agrandar el orificio por la parte interna como se observa en la figura No.1.. Figura No.1 Orificios de vacío. En casos donde se requiere control de la temperatura en el ciclo de enfriamiento, se deberá proveer al molde de conductos de enfriamiento para permitir la circulación de agua o aceite a través del molde.. 21.

(33) IM-2003-II-04. Debido a la contracción que sufre el material después del enfriamiento de la pieza, se deberá tener en cuenta el 1% que se contrae la pieza en casos donde las dimensiones del producto son un factor critico.. Es de gran ayuda en piezas que contienen áreas grandes planas la utilización de pequeñas curvaturas con el fin de lograr superficies planas al enfriar el material como se observa en la figura No.2.. Figura No.2 Curvatura en superficies planas.. En el momento del desmolde de la pieza termoformada, no se puede utilizar ángulos rectos en las paredes de la pieza que estén en contacto con el molde, por tal motivo se utilizara ángulos de salida de por lo menos 3° como se muestra en la figura No. 3, ya que estos facilitara la salida de la pieza del molde, evitando el amarre de la pieza final al molde.. Figura No.3 Ángulo de salida Es recomendable redondear las aristas, ya que el formado en vértice acumula esfuerzos internos. Por tal motivo la resistencia de la pieza será mayor utilizando orillas, esquinas y cantos redondeados.. 22.

(34) IM-2003-II-04. Cuando se realiza un pieza que tiene partes débiles o tiene partes delgadas es aconsejable el uso de costillas de refuerzo para darle mas resistencia. También es útil en áreas de la pieza muy extensas.. En el caso que se desee realizar una pieza de moldes múltiples, se debe prever el espacio entre los moldes, con el fin de prevenir arrugas, una distancia de 1.75 veces la altura de la pieza, será lo adecuado según lo recomienda el Manual Teórico Termoformado.. 1.5.2.1. Adelgazamiento en el espesor del material. En toda técnica que se utilice en el proceso de termoformado, el material sufre un estiramiento debido a la ampliación del área de la superficie, produciendo un reducción en el espesor de la lámina.. Uno de los factores relevantes para este adelgazamiento es el radio, definido generalmente como el radio máximo de profundidad o altura con el mínimo espacio a través de la abertura. Para estimar este adelgazamiento, uno deberá determinar el área de la hoja disponible para el termoformado y dividirla entre el área de la pieza, incluyendo los desperdicios. Teóricamente existe una formula para calcular el porcentaje de adelgazamiento en moldes hembra, considerando que el material es revenido y estirado uniformemente.. % de ade lg azamiento =. Area disponible de la hoja Area total de la hoja formada. % de ade lg azamiento =. 23. CxD CxD + E (2C + 2 D). (Ec. 1.1).

(35) IM-2003-II-04. 1.6 MATERIALES. 1.6.1 Polietileno de alta densidad. El material seleccionado como matriz del material compuesto es el polietileno de alta densidad. Este material termoplástico es opaco, cristalino, impermeable, resistente térmica y químicamente comparado con el polietileno de baja densidad. Su estructura es una cadena lineal poco ramificada como se muestra en la figura No. 5.. 24.

(36) IM-2003-II-04. Se obtiene por polimerización del etileno a presiones relativamente bajas (1-200 atm), con catalizador alquilmetálico (catálisis de Ziegler) o un óxido metálico sobre sílice o alúmina (procesos Phillips y Stardard Oil).. 1.6.2 Descripción del cisco de café. El cisco de café cumpliendo la función de material de refuerzo, se encuentra como material de desecho del procesamiento del café. Este proceso comienza con el recolectado del café para posteriormente ser tratado por la despulpadora para quitarle al grano las envolturas exteriores que se encuentran constituidas por proteínas, sustancias pépticas, azucares entre otras. Finalizado el trabajo de la despulpadora el grano se pasa al proceso de fermentación y seguidamente el de lavado y secado al aire. Terminado los anteriores procesos se tiene un grano con solo una envoltura exterior que es conocida como cisco o pergamino de café. Con el fin de quitar esta envoltura el grano es llevado a la maquina trilladora que por medio de unas cuchillas rompen y separan el cisco dejando pasar la almendra. En la figura No 6 se aprecia el cisco de café como sale de la trilladora.. Figura No 6. Cisco de café Se sabe por medio de pruebas realizadas al cisco y bajo la norma ASTM E873 “Standard test method for bulk density particulate biomass fuels” se obtiene la densidad a granel del. 25.

(37) IM-2003-II-04. mismo dando el valor de 0.329 gr/cm33. Características típicas de las fibras lignocelulosicas es su alta higroscopicidad, debido a los grupos OH presentes en la cadena celulosa. El porcentaje de humedad presente en el cisco de café según norma ASTM E871 “Standard test meted of moisture analysis of particule wood fuels” obteniendo el valor de 10% en peso3.. Una característica relevante para el procesamiento del cisco es su temperatura de degradación. Para determinar esta temperatura se han realizado ensayos por medio de métodos cualitativos, mediante criterios de cambio de color de las fibras. Estos ensayos se realizaron utilizando 10gr como muestra y exponiéndola a diferentes temperaturas en una forma gradual dentro de un horno de calentamiento convectivo. Con este método y encontrando un cambio en el color de la muestra se determino que la temperatura de degradación del cisco es de 180°C.. 1.6.3 Agente acoplante. En la fabricación de un material compuesto es necesario la utilización de un agente acoplante. Los agentes acoplantes son comúnmente utilizados para la adhesión de la interfase, con el fin de promover la resistencia química y la resistencia del material.. El agente de acople cumplirá la función de unir los dos materiales, ayudando a crear enlaces covalentes entre ellos, haciendo las veces de puente de acople entre los OH de la celulosa y los carbonos del polímero.. 3. Datos obtenidos Juan Carlos Muños Jaramillo, Desarrollo de una material compuesto con refuerzo lignocelulosico: Matriz polipropileno – refuerzo: Cisco de café. Universidad de los Andes 2002.. 26.

(38) IM-2003-II-04. En la tabla No 3. se puede observar las propiedades que se obtiene en el material compuesto de polietileno de alta densidad y cisco (50% - 50%) variando la composición del anhídrido maléico4.. Anhídrido Maléico %. 0 5 10 15. Modulo de elasticidad (MPa) 1934 1503 1296 1149. Esfuerzo tensión (MPa) 9,8 13,8 12,5 11,3. Resistencia al impacto (J/m). 60,7 71,9 91,2 93,1. Tabla No. 2 Propiedades mecánicas de PE + cisco 50-50% a diferentes concentraciones de anhídrido. (García, Diego Iván). 4. Datos obtenidos de Diego Iván García , Materiales compuestos con matriz termoplástica y refuerzo lignocelulosico. Polietileno de alta densidad y cisco de café. Universidad de los Andes 2002.. 27.

(39) IM-2003-II-04. 2. MATERIALES Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. En el primer paso del estudio del proceso de Termoformado, es la preparación de la materia prima, mas aun teniendo en cuenta que se trata de un compuesto entre polietileno y un refuerzo lignocelulosico como lo es el cisco de café. En el presente capitulo se mostrara las características de estos materiales y su posterior tratamiento en la realización del compuesto.. 2.1 DESCRIPCIÓN DEL POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD. El polietileno de alta densidad usado en este proceso es un copolímero de peso molecular medio. Por su estructura molecular, este material de uso general combina una elevada resistencia al impacto y a las fisuras por esfuerzos ambientales (ESCR), presentando una elevada rigidez.. En la tabla No. 2 se muestra un resumen de las propiedades que presenta el polietileno de alta densidad usado en este proyecto.. MATERIAL: Polietileno de alta densidad (grado soplado) METODO DE PROPIEDADES UNIDADES PRUEBA PROPIEDADES FISICAS Índice de fluencia (190°C/2,16 Kg) ASTM D 1238 g/10 min Índice de fluencia (190°C/21,6 Kg) ASTM D 1238 g/10 min Densidad ASTM D 1505 g/cc. 28. VALOR. 0,34 27 0,956.

(40) IM-2003-II-04. PROPIEDADES MECÁNICAS Resistencia a la tracción ASTM D 638 Kg/cm2 (MPa) Límite elástico ASTM D 638 Kg/cm2 (MPa) Elongación ultima ASTM D 639 % Modulo de flexión, secante 2% ASTM D 790M Kg/cm2 (MPa) Dureza ASTM D 2240 Shore D Impacto Izod ASTM D 256 KJ/m2 OTRAS PROPIEDADES ESCR ASTM D 1693 h. 255 (25) 360 (35) 950 7600 (750) 65 10 300. Tabla No.3 Resumen propiedades del Polietileno de alta densidad (HDPE) (Química Comercial Andina S.A., Ref. GF4950). 2.2 DESCRPCIÓN DEL AGENTE ACOPLANTE. Para el desarrollo de este proyecto se utilizo el anhídrido maléico como agente acoplante entre la matriz termoplástica y el refuerzo lignocelulosico cisco de café. Este agente se manejo en forma de compuesto, debido a su alta toxicidad en estado puro. Por este motivo se utilizo el PE-maleato, el cual consiste de un compuesto a base de polietileno y disuelto en él se encuentra el anhídrido maléico en concentraciones bajas de aproximadamente un 8% VV.. El PE-maleato que se mezcló en la realización del material compuesto fue el OREVAC 18370, distribuido por ATOFINA COLOMBIA S.A... 29.

(41) IM-2003-II-04. 2.3 DESCRIPCIÓN DE LA MEZCLA. A continuación se explicara con detalle como fue que se hizo la mezcla del compuesto, con respecto a las cantidades manejadas en este proceso.. Para conseguir las mejores propiedades de la materia prima del termoformado, y en base a los estudios anteriores realizados en la universidad (García 2002), se opto por hacer una mezcla de 50% - 50% de matriz y refuerzo, teniendo la composición de la mezcla constante durante el desarrollo de la experimentación.. Dados los resultados que dieron los anteriores trabajos sobre el comportamiento del material a diferentes composiciones de agente acoplante se eligió el 5% MM de PE-maleato en la mezcla. En esta composición se mostró un buen comportamiento del material, marcando una significante mejoría respecto a una mezcla sin agente acoplante.. Ya escogido los porcentajes de la matriz-refuerzo y agente acoplante, se procede a la mezcla de los mismo. Para efectos prácticos se realizara una explicación de una mezcla de 40 gr de compuesto, ilustrando el procedimiento efectuado en este trabajo para la mezcla de estos materiales.. Teniendo que la mezcla se realizará 50% de polietileno y 50% de cisco de café y con un porcentaje de 5% de agente acoplante, se empieza con pesar 19 gr de polietileno y 19 gr de cisco de café dando con esto un porcentaje igual dentro de la mezcla de refuerzo y matriz. Posteriormente se pesa 2 gr de anhídrido maléico dando con esto el 5% de agente acoplante del total de la mezcla. 30.

(42) IM-2003-II-04. 2.4 TAMIZADO DEL REFUERZO. En el proceso de mezcla de los materiales de refuerzo – matriz, un factor importante en el material compuesto es el tamaño de partículas que se utilizara del refuerzo. En el trabajo realizado por Diego Iván García donde realizó varias pruebas sobre las propiedades mecánicas del material compuesto con diferentes tamaños de partícula de cisco en una matriz de polietileno, se encontró como conclusión que el tamaño es inversamente proporcional a las mejorías de las propiedades mecánicas del material compuesto, es decir, mientras el tamaño de partícula sea mas pequeño se encuentra mejorías en las propiedades mecánicas como lo es el aumento del modulo de elasticidad y de la resistencia a la tensión.. Con este fin de obtener buenas propiedades mecánicas, se escogió el tamaño de partícula mas pequeño, pero a su vez teniendo en cuenta el mayor aprovechamiento del cisco que se extrae de un bulto. Con esto se escogió un tamaño de partícula que pase por una malla con 1.2 mm por 1.2 mm entre cada una de las hebras que la componen. Este tamiz es clasificado como MESH #16 que siendo aproximado según los resultados obtenidos en los trabajos anteriores se esta aprovechando el 80% de un bulto de cisco de café.. Para escoger el tamaño de partícula, se realizó un tamiz que utiliza un angeo que tiene las características anteriormente descritas. En al figura No. 7 se muestra el tamiz realizado y utilizado para obtener las partículas que se añadirán en la mezcla.. 31.

(43) IM-2003-II-04. Figura No. 7 Tamiz. 2.5 SECADO Y MEZCLADO. Teniendo la cantidad de cisco ya tamizada que se utilizara en el momento de la mezcla, es necesario proceder a un proceso de secado de este material. Como se menciono en la descripción de este material de refuerzo, el ser un material altamente higroscópico es una característica relevante para el momento de ser procesado. Debido a esta cantidad de humedad presente en su composición puede ocasionar un mal acople entre la matriz termoplástica y los puentes generados por el agente acoplante. También hay que tener cuidado que no se encuentre demasiada humedad en el material en el momento de ser procesado, ya que esto puede ocasionar malas formaciones en el producto terminado, dejando una mala apariencia o burbujas en la pieza.. 32.

(44) IM-2003-II-04. Con el fin de evitar los inconvenientes anteriormente mencionados se somete al cisco de café a un proceso de secado, con esto se garantiza la extracción del mayor porcentaje de humedad presente en él.. En el proceso de secado se introdujo el material en el Horno BLUE M, asignándole una temperatura de 105°C durante 24 h garantizando así que el material tenga al final de este ciclo un porcentaje de humedad menor al 1%. En la figura No. 8 se observa cual es el horno utilizado y el recipiente que se utilizo durante este ciclo.. Figura No. 8 Horno BLUE M(izq.) y recipiente utilizado (der.).. Este recipiente metálico se escogió debido a su facilidad de manejo del material en el momento de finalizar el proceso de secado, ya que gozaba de un selle hermético entre el recipiente y la tapa del mismo con tal de evitar que el material fuera contaminado por la humedad del ambiente. A su vez este recipiente hace parte de la unidad de tamboreo que se utiliza para la mezcla de materiales y en el proceso descrito a continuación se empleo para este fin.. 33.

(45) IM-2003-II-04. Habiendo terminado el proceso de preparación del cisco de café y teniendo la matriz termoplástica y el agente acoplante, se procede a la mezcla de estos componentes con el fin de obtener una mezcla homogénea de los componentes y así poder adquirir un material confiable al finalizar el peletizado.. Para realizar el proceso de mezclado se tomo las cantidades de material requeridas para cumplir las condiciones descritas en el capitulo 2.4 y fueron vertidas en un recipiente de 0.3m3, procurando no pasar de las 2/3 partes de capacidad que tiene tal elemento con el fin de garantizar una mezcla homogénea después del proceso de tamboreo.. Figura No. 9. Unidad de tamboreo. Para el proceso de mezclado se utilizó la unidad de tamboreo mostrada en la figura No. 9 y se dejo por un tiempo de 15 min. donde se obtuvo una mezcla homogénea para ser sometida al proceso de peletizado. En la figura No. 10 se pude observar la muestra del material mezclado.. 34.

(46) IM-2003-II-04. Figura No. 10 Muestra de material mezclado. 2.6 PELETIZACIÓN DEL MATERIAL. Una vez terminado el proceso de mezcla con el fin de obtener una material homogéneo se debe proceder al proceso de peletizado, ya que con esta presentación del material se hará mas fácil la formación de una lamina en el proceso de moldeo por compresión.. La peletización se llevo a cabo en la extrusora Brabender Plasticorder 814200 con un dado de peletización de cuatro hilos tal como se observa en la figura No. 11.. 35.

(47) IM-2003-II-04. Figura No. 11 Dado peletizador montado en el Brabender. Con el fin de establecer los parámetros de extrusión del material, se partió de los valores de temperatura obtenidos por Diego Rodríguez5, y posteriormente se fue tomado los valores que dejaran un mejor cordón, tomando como variables limite los valores de presión en el dado y el torque en el tornillo. La tabla No. 4 consigna los valores finales empleados durante el proceso de peletización.. MATERIAL : COMPUESTO HDPE-CISCO DE CAFÉ (50%-50%) VELOCIDAD TEMPERATURAS POR ZONA °C (°F) DEL ZONA ZONA DE ZONA DE DADO TORNILLO ALIMENTACIÓN MEZCLA ENTRGA PELETIZADOR (RPM) 140 (284) 150 (302) 160 (320) 180 (356) 80 Tabla No. 4 Parámetros de extrusión empleaos en el proceso de peletización. Los hilos extruidos eran almacenados en un recipiente, ya que el sistema de enfriamiento utilizando una piscina de agua para posteriormente ser llevados a la peletizadora no fue exitoso, debido a que el hilo no era completamente homogéneo y se fracturaba muy 5. Rodríguez Andrade Diego, Diseño del proceso de extrusión para un polímero reforzado con fibras lignocelulosa. Universidad de los Andes. 2002. 36.

(48) IM-2003-II-04. fácilmente. Este defecto se puede observar en la figura No. 12 dando un inconveniente en el procesamiento de este material ya que no da tiempos de servicio cortos en este ciclo.. Figura No. 12 Rompimiento de hilos Por tal motivo se almaceno en hilos y seguidamente se alimento la peletizadora Berlin PELL2 con los hilos para convertirlos en pellets. Finalmente se tiene una buena presentación del material en pellets tal como se puede observar en la figura No. 13.. Figura No. 13 Compuesto peletizado.. 37.

(49) IM-2003-II-04. 2.7 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL. Con el fin de ver que tipo de propiedades mecánicas presentaba este material después de ser peletizado, se realizo unas pruebas de tensión y de impacto para poder tener un parámetro de comparación con los materiales caracterizados por el ingeniero Diego Iván García. Dichas pruebas se realizaron bajo las siguientes normas: ƒ. Prueba de tensión (Norma ASTM D638). ƒ. Prueba de resistencia al impacto (Norma ASTM D256). Cada una de estas pruebas de caracterización se ejecuto de la siguiente manera:. 2.7.1 Propiedades de tensión. La norma ASTM D638 proporciona un método para la determinación de las propiedades de tensión de los materiales plásticos en forma de probetas estandarizadas de acuerdo con condiciones ambientales y velocidades de prueba definidas.. 2.7.1.1 Preparación de las probetas. Las probetas utilizadas en la prueba de tensión se realizaron por el método de moldeo por compresión, de acuerdo con lo establecido en la norma ASTM D4703 (Standard test method for compresión molding thermoplastic materials into test specimens, plaques or sheets). Los factores de fabricación de las probetas se encuentran consignados en la tabla No. 5.. 38.

(50) IM-2003-II-04. Temperatura de moldeo Temperatura de desmolde. 180°C 40°C 60000 lb en un cilindro de 5" (21,07MPa). Presión en el cilindro de la prensa Tiempo de calentamiento sin presión Tiempo de aumento de presión Tiempo de sostenimiento de presión y temperatura. 10 min 1min 1min 10 gal/min equivalente a una velocidad de enfriamiento de 7°C/min. Flujo de agua en las placas. Tabla No. 5 Parámetros empleados en la fabricación de probetas mediante el método de moldeo por compresión Como resultado del proceso de moldeo por compresión se obtuvieron probetas clasificadas por la norma, como probetas tipo I, utilizadas en materiales rígidos y semirígidos con espesor menor o igual a 7mm. Se puede observar las probetas salidas del proceso de moldeo por compresión en la figura No.14.. Figura No. 14 Probetas de tensión e impacto. 39.

(51) IM-2003-II-04. 2.7.1.2 Montaje de la prueba de tensión. En la realización de esta prueba se utilizo la maquina universal INSTRON 5586 que se puede apreciar el montaje de la prueba en la figura No. 15.. Figura No. 15 Montaje de tensión en maquina universal INSTRON 5586. 2.7.2 Resistencia al impacto. En este ensayo se desea evaluar cual es la cantidad de energía absorbida en el momento de fomentar la propagación de una grieta. Para realizar esta prueba se baso en los parámetros dados por la norma ASTM D256 (Standard test methods for impact resístanse of plastics and electrical insulating materials). En esta norma proporciona diferentes métodos para evaluar la resistencia al impacto de materiales poliméricos. En este caso en particular se implemento el método A de la norma (tipo Izod), con un péndulo de 2.71J.. 40.

(52) IM-2003-II-04. 2.7.2.1 Preparación de las probetas. Como en el caso descrito para la elaboración de las probetas de tensión y consignado en la tabla No. 5 fue como se elaboraron esta probetas para impacto bajo la norma D4703. Pero para cumplir su función en la prueba es necesario crearles una entalla por medio del empleo de una fresa como se muestra en la figura No. 17.. Figura No. 16 Fresado de entalla en probetas para impacto.. El realizadas esta entalla se coloco en voladizo dichas probetas con la entalla hacia el lado del impacto para finalmente medir la energía que se le remueve al péndulo en el momento de golpear la probeta.. 41.

(53) IM-2003-II-04. 2.7.2.2 Montaje en la prueba de impacto.. En la realización de esta prueba se tiene un montaje en el cual el péndulo golpea la probeta y termina dando una marcación de la energía perdida debido al golpe que se tuvo en su recorrido. Es de vital importancia antes de realizar la prueba evaluar cual es la perdida por fricción en la maquina, ya que esto puede alterar los resultados obtenidos en el ensayo. En la figura No. 18 se puede observar la maquina donde se hace el montaje del ensayo.. Figura No. 17 Maquina de ensayo de impacto.. 2.8 MOLDEO POR COMPRESIÓN. En el presente capitulo se mostrara como se realizo el proceso de moldeo por compresión de la lamina empleada en el proceso de termoformado. En primera medida, se hará una breve descripción de las maquinas y elementos que se utilizaron en este proceso y. 42.

(54) IM-2003-II-04. 43.

(55) IM-2003-II-04. de evitar que en el momento de hacer el moldeo y el material se pegue a los moldes, es necesario el uso de unas hojas de aluminio entre el material y las dos placas anteriormente descritas, además que estas le terminan dando un mejor acabado a la lamina formada. Para fines de este proyecto fue necesario el uso de un suplemento en la cavidad del molde, ya que es necesario el uso de un calibre de lamina menor al que se elabora con el molde usado. Por esta razón se uso unas laminas con el tamaño de la cavidad del molde y que presenten un calibre necesario para minimizar el calibre de la lamina. Se puede apreciar mejor este montaje en la figura No.20.. Figura No. 19 Molde usado en el moldeo por compresión.. 2.8.2 Parámetros seleccionados para el moldeo de lamina. En la creación de la lamina se utilizo parámetros recomendados para la realización de probetas descrita en la norma ASTM D4703. Es de tener en cuenta en este proceso que hay que respetar la temperatura de degradación del material de refuerzo, ya que si se llega a sobre pasar esta temperatura se creara un color café oscuro e irregular dando una mala apariencia en lamina formada. A continuación en la tabla No. 9 se encuentra consignado los parámetros empleados en la preparación de las laminas.. 44.

(56) IM-2003-II-04. Temperatura de moldeo Temperatura de desmolde. 180°C 40°C 60000 lb en un cilindro de 5" (21,07MPa). Presión en el cilindro de la prensa Tiempo de calentamiento sin presión Tiempo de aumento de presión con 3 precargas de 10000 lb Tiempo de sostenimiento de presión y temperatura. 10 min 1min 1min 10 gal/min equivalente a una velocidad de enfriamiento de 7°C/min. Flujo de agua en las placas. Tabla No. 9 Parámetros usados en la realización de lamina en el moldeo por compresión. Finalmente se obtuvo una lamina con buen acabado superficial, con una estabilidad dimensional en el área y en el calibre de la misma. El calibre de la lamina resultante fue de 1.26 mm y un porcentaje de variación en el espesor menor o igual al 8% como se establece en la literatura como optima para ser termoformada. Una variación mayor no es recomendada debido a un calentamiento no uniforme de la lamina.. En este proceso obtiene una característica fundamental en la lamina formada es que no presenta orientación, como si se tiene en el proceso de extrusión y lo que se quiere es que esta variable este presente en lo mas mínimo. Pero este proceso tiene el inconveniente de ser poco eficiente en proceso de producción masivo debido a sus grandes tiempos de servicio. Este tiempo de servicio se ve afectado debido a los tiempos usados en el calentamiento y enfriamiento de las placas y comparándolo con la extrusión, este ultimo es una mejor opción.. 45.

(57) IM-2003-II-04. 2.9 TERMOFORMADO DE LAMINA. En el presente capitulo se describirá el proceso de termoformado de la lamina compuesta de HDPE y cisco de café, obtenida de acuerdo con los parámetros descritos en el capitulo anterior.. Como primer caso se hará una breve descripción de los equipos usados en el proceso de termoformado y su preparación previa a dicho proceso. Seguidamente se hará la descripción de la metodología empleada para la determinación de la ventana de operación y variables presentes en el proceso. Como punto final se expondrá los resultados obtenidos de las pruebas a la placa termoformada.. 2.9.1 HERRAMIENTAS USADAS PARA EL TERMOFORMADO. 2.9.1.1 Termoformadora. En este proceso de termoformado se uso la termoformadora ILLIG SB53C compuesta por sistema de calentamiento de radiación usando resistencias eléctricas. Este sistema permite el calentamiento de la lamina a ser procesada en su cara superior y consta de un sistema de moldeo por vacío. La figura No. 21 se observa la maquina termoformadora.. 46.

(58) IM-2003-II-04. Figura No 20. Termoformadora ILLIG SB53C 2.9.1.2 Molde. Con el fin de tener un producto terminado con la forma deseada y partiendo de una lamina, es necesario el uso de un molde donde esta contenida la forma del producto final. En este proyecto se realizo y uso un molde de termoformado de baja profundidad para utilizar un método de termoformado por vacío. Para el diseño de este molde fue necesario el uso de todas las recomendaciones dadas en el capitulo 1.3. Este molde se puede apreciar en el anexo B en los planos de detalle.. Viendo los planos del molde se pueden apreciar 4 grupos de geometrías presentes en él. En estos grupos se pretende evaluar al material en diferentes situaciones en las que puede ser expuesto en una futura aplicación a nivel industrial. A continuación se explicara cada una de estas secciones y cuales son los criterios que evalúan.. En la sección A-A se puede distinguir 5 cavidades con la misma área disponible de la hoja y diferentes profundidades de formado. En estas figuras se desea evaluar el. 47.

(59) IM-2003-II-04. comportamiento del material a diferentes porcentajes de adelgazamiento, ya que viendo el proceder del material y teniendo en cuenta la literatura, no se debe sobrepasar en un molde hembra una profundidad mayor de la mitad del ancho de la pieza. Con esto se apreciara hasta que profundidades y relacionado con el porcentaje de adelgazamiento la evaluación cualitativa del comportamiento del material si es capaz de tomar las geometrías del molde.. En la sección B-B se observa tres diferentes figuras con el mismo radio de curvatura pero con diferentes profundidades. En estas figuras se quiere observar el comportamiento del material en figuras cilíndricas y ver cual es el perfil del espesor cuando se tienen este tipo de geometrías. En este tipo de figura se presenta un adelgazamiento del espesor en la curvatura inferior de la geometría dando aquí un punto critico de la figura termoformada. Con esto se pretende evaluar como el material toma esta geometría y cuales van a ser las mejores parámetros del proceso de termoformado para adquirir en mejor forma estas geometrías.. En la sección C-C se tiene dos cavidades con el fin de poder extraer dos probetas para evaluar las propiedades mecánicas, especialmente a las propiedades que se evalúan en una prueba de tensión. Esto con el fin de apreciar los efectos del proceso de termoformado en la lamina. Como se aprecia en la literatura hay posibilidades de encontrar variaciones en las propiedades del material debido a direccionamientos o esfuerzos que tienen el material debido a ser sometido a este tipo de proceso.. En la sección C-C en sector derecho se aprecia el perfil de dos cavidades que en la vista superior del molde se ve que se cuenta con 4 cavidades que tienen la misma profundidad, pero se encuentran separadas una de otra a diferentes distancias. Esta zona se diseño para poder analizar el comportamiento del material cuando se tienen moldes múltiples y que según literatura se debe prever el espacio suficiente para prevenir arrugas. Una distancia de 1.75 veces la altura de la pieza es la recomendada en este tipo de aplicación en un material termoplástico. Se puede apreciar aquí varias razones de distancia con el fin de tener un parámetro de evaluación de las temperaturas de procesabilidad y cual es la mejor distancia. 48.

(60) IM-2003-II-04. que se debe tener en el molde o en la figura para poder tener un mejor producto termoformado.. Todas esta geometrías se les tiene un ángulo de salida de moldeo de 3°, ya que este valor se encuentra dentro del rango recomendado para productos termoformados evitando que el producto se amarre al molde en el momento del desmolde. En la figura No. 22 se puede apreciar el molde anteriormente descrito.. Figura No. 21 Molde de termoformado También en el momento del termoformado se evaluara ciertas características o posibles defectos que determinen que no se encuentra en un óptimo proceso de termoformado. Como se puede observar en el capitulo 1.2 se tiene una lista de posibles problemas y causas, pero que en este caso se hará énfasis en el efecto de la temperatura en el producto final.. En el momento de hacer uso de la termoformadora y el montaje del molde es necesario ajustar la altura de la mesa de soporte del molde con el fin que el molde se encuentre al mismo nivel del marco que sostiene la lamina a termoformar. Para efectos del montaje del molde en la mesa de soporte que contiene el orificio de vacío principal, fue necesario el uso. 49.

(61) IM-2003-II-04. de silicona sellando todo el vértice donde se unen la superficie de la placa y las paredes que marcan el perímetro del molde.. Teniendo el molde montado y la maquina ya preparada se procede a evaluar las variables involucradas en el proceso de termoformado.. 2.9.2 Variables del proceso particular de termoformado. En el proceso de termoformado expuesto en este documento, se obviaron variables que intervienen en este proceso. Una de las variables que se omitieron fueron las relacionadas con macho ayudador, dado que las profundidades que se manejan aquí son propias de un proceso de vacío.. Por otro lado se puede prescindir de las variables relacionadas con el preestiramiento de la lamina. Por otro lado se obvió la temperatura del molde debido a que el material del que se construyo este (resina) no permite un buen control de esta variable.. Finalmente, las siguientes variables fueron tenidas en cuenta durante la determinación de la ventana de operación del proceso de termoformado de las cavidades descritas en el anterior capitulo.. ‰. Temperatura de los calentadores.. ‰. Temperatura de la lamina en calentamiento y desmolde.. ‰. Presión de vacío.. ‰. Tiempo de ciclo de calentamiento.. 50.

(62) IM-2003-II-04. 2.9.3 Determinación de la temperatura de desmolde. La temperatura de desmolde es la variable que determina el momento en la cual se puede extraer la pieza sin que se genere deformación del producto termoformado. Para su determinación en el material compuesto se siguió el método señalado en la norma ASTM D1525 (standard test method for vícat softening temperature of plastics).. Esta norma define la temperatura de Vícat como la temperatura en la cual una aguja de sección transversal de extremo plano con área de 1mm2, bajo una carga de 1000gr, penetra 1mm dentro de una muestra de material de no menos de 3mm de espesor por 12 mm de ancho.. Para la ejecución de esta prueba se utilizo un medidor de temperatura de vícat Custom Scientific Instruments modelo CS-107 (figura No. 23).. Figura No.22 Medidor de temperatura vícat. El procedimiento de esta prueba empieza con colocar la probeta en el soporte del medidor y seguidamente es sumergida en un baño de aceite. Este baño de aceite se le incrementa gradualmente la temperatura a una velocidad de 2°C/min y la aguja poco a poco se ira. 51.

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Referencias