INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO
TESIS PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO MECANICO
“FORMADO AL VACIO DE CHAROLAS DE SERVICIO”
ALUMNO:
PEREZ LARA FELIPE BOLETA:
2006360273
ASESORES:
ING. FERNANDO VERGARA CAMACHO ING. MARCO ANTONIO CARDENAS
INDICE
CAPITULO 1 INTRODUCCION 4
Componentes Principales de los Plásticos 5
Naturaleza de los plásticos 5
Clasificación de los plásticos 5
Características Generales de los plásticos 9
Polímeros adecuados para el formado al vacio 11
Poliestireno de Alto Impacto 12
Factores que influyen en el Formado al vacio 12
Forma de fabricación 15
CAPITULO 2 ANTECEDENTES TEORICOS 17
Productos Fabricados por Formado al vacio 18
Maquinas y partes del Formado al Vacio 21
Estación de conformado (mesa y bastidor) 22
Sistema de calentamiento 22
Moldes 25
Consideraciones para el Diseño del Producto 26
Criterios para el diseño del molde 27
Materiales empleados en la fabricación de moldes 30
Bomba de Vacio 32
CAPITULO 3 METODOS DE FABRICACION MEDIANTE EL FORMADO AL VACIO 34
Formado mecánico 35
Técnicas Combinadas 36
Formado al Vacio 36
Características del Material 37
Proceso de Fabricación 39
CAPITULO 4 COSTO - BENEFICIO 53
Costos Directos 53
Costos Indirectos 55
CAPITULO 5 CONCLUCIONES 59
CAPITULO 1
INTRODUCCIÒN
Desde la aparición de los plásticos los productos terminados y producidos en base a las materias primas llamadas polímeros han sido muchísimos ya que a finales del siglo XIX las aplicaciones en las que este material a substituido a otros, especialmente a la madera, los metales y a las fibras textiles naturales. Estos materiales tienen muchas ventajas, como su fácil obtención, gran resistencia, propiedades aislantes de calor o frio, fácil limpieza, entre otras.
El término plástico en su significado más general, se aplica a las sustancias de distintas estructuras que carecen de un punto fijo de ebullición y poseen durante un intervalo de temperaturas propiedades de elasticidad y flexibilidad que permiten moldearlas y adaptarlas a diferentes formas y aplicaciones. Sin embargo, en sentido restringido, se debe a que denota ciertos tipos de materiales sintéticos obtenidos mediante fenómenos de polimerización o multiplicación artificial de los átomos de carbono en las largas cadenas moleculares de compuestos orgánicos derivados del petróleo y otras sustancias naturales.
Los plásticos son sustancias formadas por macromoléculas orgánicas llamadas polímeros. Estos polímeros son grandes agrupaciones de monómeros unidos mediante un proceso químico llamado polimerización.
Estos materiales han evolucionado desde su aparición, debido a una serie de propiedades físicas y químicas que lo hacen único y que permiten moldearlo a temperaturas relativamente bajas que además, le proporcionan una gran resistencia.
Los plásticos proporcionan el balance necesario de propiedades que no pueden lograrse con otros materiales por ejemplo: color, poco peso, tacto agradable y resistencia a la degradación ambiental y biológica.
Estas propiedades hacen que los plásticos se apliquen en una gran variedad de envases y embalajes extendiéndose su uso a un mercado cada día más amplio.
-Componentes Principales de los Plásticos La composición de los plásticos se genera a partir:
- Materia básica: se constituye de los monómeros que entran en la reacción química y se comercializan en forma de granulo, denominados granza.
- Cargas: se añaden a la materia básica con objeto de abaratar el producto obtenido y de mejorar sus propiedades físicas, químicas o mecánicas. Se suelen utilizar fibras textiles, fibra de vidrio, papel, sílice y otros materiales.
- Aditivos: Tiene como misión mejorar las cualidades del polímero y algunos de ellos son colorantes (solubles en polímero le aportan un color mas atractivo), antiestáticos (evitan la acumulación de cargas estáticas) y los estabilizantes (aumentan la resistencia a la degradación de la luz).
- Catalizadores: Su misión en la mayoría de los casos es iniciar y acelerar el procedimiento de la reacción química.
-Naturaleza de los plásticos Los plásticos naturales:
Se obtienen directamente de materias primas vegetales (celulosa y el látex) o animales (caseína, una de las principales proteínas de la leche de vaca)
Los plásticos sintéticos:
Se elaboran a partir de compuestos derivados del petróleo, el gas natural o el carbón, la mayoría de los plásticos pertenecen a este grupo.
La transformación industrial de estas materias primas y compuestas en plásticos se lleva a cabo mediante procesos de síntesis o polimerización, que consisten en la unión repetida de grandes moléculas para dar lugar al polímero.
-Clasificación de los plásticos
En la actualidad se conocen más de 15000 tipos diferentes de plásticos, pero solamente se comercializan unos pocos ya que el resto no aporta ninguna novedad destacable y son más caros de obtener, los plásticos se pueden clasificar en tres grandes grupos, dependiendo de su comportamiento frente al calor, utilización y propiedades mecánicas.
1.- Termoplásticos:
Son aquellos plásticos que, al ser calentados a temperaturas de entre 50 y 200º C, alcanzan un estado de plasticidad que les permite ser moldeados con facilidad, se podría comparar con la cera, que a temperatura ambiente es solida, pero en cuanto se calienta este material se ablanda pudiéndose moldear de nuevo haciendo notoria la característica de que los materiales termoplásticos son reciclables.
Estos materiales se pueden someter a múltiples actos de calentamiento y enfriamiento, sin alterar sustancialmente su estructura molecular, por lo tanto son reciclables; esta familia contiene cientos de materiales y la cantidad crece constantemente por lo tanto mencionaremos los principales que en le actualidad se reciclan y que según la norma a nivel mundial se deben identificar con un número dentro de un triangulo, el cual debe estar a la vista en el deposito o contenedor, como se muestra en la tabla 1.1.
CLASIFICACION DE LOS TERMOPLASTICOS
POLIETILENTERAFTALATO
DESCRIPCION USO
Se produce a partir del acido Tereftálitico y Etilenglicol, por poli condensación; existiendo dos tipos: grado textil y grado botella.
Para el grado botella el polímero se debe pos condensar, para obtener diversos colores se le agrega el pigmento deseado.
-Botellas para embasar agua, vinagre, aceite comestible o automotriz, mayonesa, salsas.
-Películas transparentes, fibras textiles, laminados plásticos.
-Envases al vacio, bolsas para horno y bandejas para horno de microondas.
-Cintas de video y audio, películas radiográficas.
POLIETILENO ALTA
DENSIDAD
Es un termoplástico fabricado a partir del Etileno el cual se obtiene del Etano, uno de los componentes del gas natural.
Este material es muy versátil y se puede transformar por inyección, soplado, extrusión o rotomoldeó.
-Botellas para cremas alimenticias, derivados de la leche como el yogurt depósitos para crema de uso humano, aceite automóvil, cloro, artículos de limpieza, suavizantes, bolsas de supermercados, tubos para gas.
CLORURO DE POLIVINILO
Se produce a partir de dos materias primas 43% de gas y 53% de cloruro de sodio.
En su preparación se utilizan aditivos para obtener productos con diversas propiedades, los procesos de producción más aptos son:
Inyección, extrusión, soplado.
-Garrafón de agua de 20 Lts.
–“Plástico aprobado de grado alimenticio”, para tuberías hidráulicas y drenajes en instalaciones eléctricas que son tanto flexibles o rígidas.
-Envases para agua mineral, aceites y jugos.
-Películas flexibles para envolturas de golosinas, carnes, verduras.
POLIETILENO DE BAJA
DENSIDAD
Se produce a partir de gas natural (etileno). Se procesa por inyección, extrusión, soplado y rotomoldeó
Se utiliza para la fabricación de empaques de alimentos congelados, se utiliza en el embasado de alimentos como leche, refrescos, productos industriales, contenedores herméticos.
POLIPROPILENO
Es un material rígido de alta cristalinidad y elevado punto de fusión, excelente resistencia química y de baja densidad al agregarle cargas (talco, caucho, fibra de vidrio) obteniendo un polímero de ingeniería. Se procesa por inyección, extrusión, soplado, formado al vacio
Se obtiene por
polimerización del propileno.
-Películas/films para empacar alimentos, golosinas, chicles, hilos, cordeles, jeringas, desechables, pañales desechables.
Botes para pintura, helados, vasos para uso domestico o para promoción de alguna bebida.
Fibras para tapizar muebles.
Partes para automóvil tableros, parachoques, molduras.
Crema alimenticia, derivados de la leche, recipiente para alimentos (tuper weere) sillería (el casco “asiento”) fabricación de portafolios.
POLI ESTIRENO
Existen tres tipos:
PS cristal: es un polímero de estireno monómero cristalino y de gran brillo.
PS alto impacto: este material es estireno monómero con inclusiones de polibutadieno que le confiere resistencia al impacto.
PS impregnado de pentano da la propiedad de expandible.
-Vasos transparentes para tomar agua, envases de productos alimenticios.
-Partes para refrigerador (panel interior, puerta, charola de deshielo, molduras), hieleras, mangos de rastrillo para afeitarse.
- Aislamiento evaporador del refrigerador, vasos térmicos para tomar café, placas aislantes (unicel).
Tabla 1.1.Clasificación de Termoplásticos.
El tamaño mínimo recomendado del acrónimo es de 2 cm. En un lugar visible según permita la geometría del articulo. Para los envases pequeños se recomienda que el símbolo sea proporcional.
TERMOPLÁSTICOS
Nombre Siglas
Acetato de celulosa CA
Acetato buritaro de celulosa CAB
Polimerizado de PVC en emulsión E-PVC
Polietileno alta densidad HD-PE
Polietileno baja densidad LD-PE
Polietileno densidad media (no normalizada) MD – PE
PVC poliemrizado en masa M-PVC
Poliamida PA Polietileno PE Polipropileno PP Poliestireno PS Politetrafluoretileno PTFE
Acetato de polivinilo PVAC
Cloruro de polivinilo PVC
Tabla 1.2. Siglas de algunos Polímeros
Como se observa en la tabla 1.2, la familia de los termoplásticos contiene una amplia gama de polímeros los cuales son ocupados en diferentes servicios.
2.- Termofijos:
Son aquellos que una vez moldeados no pueden recuperar su forma primitiva, estos plásticos son comparables a la arcilla, que una vez endurecida, ya no es posible que vuelvan a adquirir la forma moldeable, algunos de estos se muestran en la tabla 1.3. Estos plásticos son duros, aunque frágiles. Si se calientan, lo que se consigue es carbonizarlos, pero no ablandarlos.
TERMOFIJOS
NOMBRE Siglas Resinas o masas de colada melanina ±
formaldehido
MF Resinas o masas de moldeo de fenol ±
formaldehido
PF
Polimetil ± metacolato PMMA
Polimetil penteno PMP
Poliacetal POM Poliuretanos PUR Resinas o masas de moldeo de urea ± UF
Formaldehido -
Hule natural -
Hule sintético -
Tabla 1.3. Plásticos termofijos.
3.- Elastómeros:
Este grupo de materiales posee una estructura molecular que le proporciona gran elasticidad. Los hules sintéticos o elastómeros después de haber sido deformados por la aplicación temporal de una fuerza ligera regresan rápidamente a sus dimensiones iníciales.
Tienen el inconveniente de que no se pueden fundir de nuevo.
Ejemplos de los elastómeros son: los poliuretanos nítricos, silicones y butadieno-estírenos.
-Características Generales de los plásticos 1.- Baja densidad
Debido al bajo peso específico de los plásticos, los envases en estos materiales tienen enormes ventajas tanto en su costo original como en los costos de transporte y almacenamiento.
2.- Flexibilidad
Pueden soportar grandes esfuerzos sin fractura y recobrar su forma y dimensiones originales cuando la fuerza es removida.
3.- Resistencia a la Fatiga
Algunos plásticos tienen un comportamiento satisfactorio a la fatiga que los hacen muy aptos para resistir esfuerzos dinámicos tales con dobleces.
4.- Bajo coeficiente de Fricción
La interface plástico/plástico o plástico metal presenta bajo coeficiente de fricción lo que puede eliminar el uso de lubricantes.
5.- Baja conductividad térmica
Los plásticos tienen un alto coeficiente de aislamiento térmico lo cual puede ser ventajoso a veces para controlar variaciones de temperatura externas.
6.- Resistencia a la corrosión
Son altamente resistentes a la humedad, oxigeno, ácidos débiles y soluciones salinas.
Algunos plásticos tienen alta resistencia a los solventes orgánicos.
7.- Resistencia al impacto
Por naturaleza, los materiales plásticos tienen una buena resistencia al impacto, que en algunos casos puede ser mejorada mediante la incorporación de aditivos.
8.- Propiedades ópticas
Hay materiales plásticos transparentes, translúcidos y opacos. Esta propiedad puede ser fácilmente modificada mediante la adición de pigmentos dispersos o colorantes.
9.- Integración de diseño
Los procesos de producción y las propiedades del plástico ofrecen la posibilidad de diseñar y manufacturar formas poli-funcionales sin la necesidad de ensamblaje posterior.
10.- Economía
Tomando en cuenta su densidad, la materia prima del plástico es relativamente económica 11.- Higiene
Un diseño adecuado del envase en cuanto a materia prima y hermeticidad hacen a los envases plásticos altamente higiénicos.
12.- Seguridad
El usuario de un objeto de plástico difícilmente puede sufrir cortaduras y otras lesiones.
Si bien existen más de cien tipos de plásticos, los más comunes son sólo seis, y se los identifica con un número dentro de un triángulo a los efectos de facilitar su clasificación para el reciclado, ya que las características diferentes de los plásticos exigen generalmente un reciclaje por separado.
-Polímeros adecuados para el formado al vacio
Básicamente todos los polímeros termoplásticos son adecuados para el proceso de formado al vacio. Dichos materiales, cuando son sometidos a un calentamiento presentan una variación en su módulo de elasticidad, dureza y capacidad de resistencia bajo carga.
Con un incremento de temperatura que rebase el comportamiento del material tenderá a volverse dúctil, teniendo como valor crítico la temperatura de revenido del polímero termoplástico. Esto puede observarse en el rápido pandeo de la hoja calentada, cuando la fuerza de gravedad se vuelve suficiente para causar esta deformación.
Ya que no todos los plásticos que se encuentran comercialmente presentan las características adecuadas para poder ser utilizados bajo este proceso, se presenta la tabla 1.4 con los polímeros adecuados que se pueden utilizar.
POLÍMEROS TEMPERATURA DE DEFLECCIÓN AL CALOR
TEMPERATURA DE FORMADO AL VACIO
A 264 PSI (ºC)
A 66 PSI (ºC)
SIN CARGA
(ºC)
TEMP. DE LA HOJA
(ºC)
TEMP DEL MOLDE
(ºC)
TEMP DE AYUDA
(ºC)
Acrílico extruido 94 98 135-175 65-75
Polietileno de alta
densidad 60-80 100 145-190 95 170
Polipropileno 55-65 110-115 140 145-200
Poliestireno 70-95 70-100 100 140-170 45-65 90
Poliestireno alto
impacto 85-95 90-95 120 170-180 45-65 90
ABS 75-115 80-120 95 120-180 70-85 90
Cloruro de
polivinilo (PVC) 70 75 110 135-175 45 80
Policarbonato 130 140 160 180-230 95- 120 140
Tabla 1.4 Polímeros adecuados para Formado al Vacio
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2.
3.
4.
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El vacio es fundamental en el proceso del formado al vacio debido a que este
procedimiento forza a la lámina a que adopte la forma del molde empleado, para crear un vacío se extrae el aire contenido entre la lámina y el molde mediante una bomba de vacio, a medida que se va extrayendo el aire quedan menos moléculas de aire en el interior.
Con lo que se reduce la presión en su interior creando por lo tanto una presión negativa.
La manera en que se puede conocer la presión en el interior de una cámara es mediante esta relación de presiones:
Presion absoluta Presion atmosferica Presion vacuometrica Donde:
Presión absoluta: es el resultado de obtener ya sea una suma o diferencia entre las presiones atmosférica y manométrica.
Presión atmosférica: presión ejercida por la atmosfera y su valor es 101.3 kPa (14.7psi).
Presión manométrica: es la medida de la presión que se obtiene por medio del manometro y su valor puede ser positivo o negativo.
-Propiedades térmicas
Uno de los aspectos que menos se toma en cuenta en la práctica del formado al vacio, es el de las propiedades térmicas de los polímeros, siendo éste uno de los aspectos más relevantes y críticos del proceso. La correcta comprensión de estos factores disminuirá el riesgo de evitar piezas de mala calidad por el efecto de calor agregado a la lámina, al hablar de propiedades térmicas es indispensable establecer los conceptos relacionados a este tema los cuales son el calor especifico y la conductividad térmica, ya que son dos de las propiedades físicas de los polímeros que se usan extensivamente en el formado al vacio.
-Calor específico: Es la cantidad de calor requerido para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado y viene dada por la ecuación siguiente:
c Q
m ∆T Q mc∆t Donde:
Q= cantidad de calor (J) m= cantidad de masa (Kg.
c= calor especifico ( ⁄ · ° )
∆ = diferencia de temperatura (° )
Los materiales utilizados son siempre termoplásticos con bajo calor específico, es decir, de rápido enfriamiento y calentamiento y que además cuenten con buena transmisión de calor. Estas características son de gran importancia, ya que permiten una importante reducción del ciclo de producción de cada pieza al disminuir el tiempo de calentamiento y enfriamiento del material.
-Calor de Fusión
Es el calor por unidad de masa necesario para cambiar la sustancia de la fase solida a la liquida y se puede expresar matemáticamente:
Q m L Donde:
m = Masa (Kg)
= Calor de fusión ⁄
-Calor Requerido
Es la proporción de calor requerida para elevar la temperatura en los plásticos y para estimar el calor requerido en una hoja, se puede calcular mediante la siguiente formula:
QR L A e ρ c ∆T L Donde:
QR = Calor requerido L= Longitud
A= Ancho e = Espesor
ρ = Densidad del material c = Calor especifico
∆ = Diferencia de temperatura = Calor de Fusión
-Temperatura
La temperatura se conoce como la diferencia de temperatura entre dos cuerpos y es una medida del grado de calor o frío de un objeto y por lo tanto esta representa una propiedad.
Existiendo tres escalas para medir la temperatura de una substancia o cuerpo, estas son, la escala en grados centígrados (ºC), Farenheit (ºF) y Kelvin (ºK), siendo las primeras dos, las más utilizadas.
-Expansión térmica
La expansión térmica es el resultado de incrementar la temperatura de una substancia u objeto y como consecuencia esta se expande, en lo que se refiere al formado al vacio, cuando un polímero es calentado se incrementa la movilidad de las cadenas moleculares, por lo tanto tienden a separarse unas con respecto a otras aumentando el volumen y el área del polímero. Esta propiedad es de suma importancia sobre todo en piezas que están expuestas a cambios bruscos de temperatura.
-Forma de fabricación
Con la información antes mencionada, podemos darnos cuenta que en el formado al vacio intervienen varios factores para la fabricación de este producto, por eso la importancia de mencionarlos, además de que varios factores influyen en la fabricación de una charola de servicio.
Debido a que se va a fabricar una charola de servicio a partir de un material reciclable, se debe de optar por un método de fabricación rápido y eficaz, para nuestra investigación se opta por hacer uso del formado al vacio, este método nos beneficia debido a que la operación es menos compleja de ejecutar, se consigue una fácil producción de las piezas a fabricar además es un proceso económico e incluso mas versátil en comparación con otros.
En el método de formado al vacio se emplea una lámina de material termoplástico delgada, la cual es sujeta y colocada sobre el molde de la forma a reproducir, posteriormente se calienta por medio de unas resistencias para ablandar el material, una vez echo esto, se extrae el aire de la parte inferior de esta manera la lámina se adhiere al molde tomando su forma y una vez enfriado, se abre el molde para extraer la pieza.
Es un proceso que se utiliza ampliamente en industrias tales como el empaque, alimenticia, automotriz entre muchas otras. Aunque este proceso suele limitarse a la formación de piezas de plástico que son recipientes de pared delgada y poco profundas como pequeños vasos, bandejas, gabinetes y muchas aplicaciones más.
El formado al vacio consta de dos pasos principales:
a) -Calentamiento b) -Formado
El calentamiento se realiza generalmente mediante resistencias eléctricas en uno o ambos lados de la lámina de plástico, a una distancia considerable de la lámina. La duración del ciclo de calentamiento necesita ser suficiente para ablandar la lámina, dependiendo del polímero y de los espesores a trabajar.
Los métodos de formado pueden clasificarse en tres categorías básicas:
1. Formado al vacio.
2. Formado mecánico.
3. Técnicas combinadas.
La selección de una fuerza de formado en el proceso de formado, generalmente está condicionada al tamaño del producto, volumen a producir y la velocidad de los ciclos de formado.
Es conveniente distinguir aquí entre moldes negativos y positivos, se diferencian los moldes negativos porque tienen cavidades cóncavas mientras que un molde positivo tiene una forma convexa, aquí, en el caso del molde positivo, la lámina caliente recubre la forma convexa, y se usa presión negativa o positiva para forzar al plástico contra la superficie del molde.
Adicionalmente a este criterio, también deben ser considerados los factores que enseguida se mencionan, ya que cualquiera de éstos puede marcar una diferencia en la selección de la fuerza de formado:
a) Las limitaciones de cada material termoplástico.
b) La construcción y material del molde.
c) El equipo de termoformado disponible.
CAPITULO 2
ANTECEDENTES TEORICOS
El formado al vacio comercial comenzó a finales de 1800 cuando el nitrato de celulosa era formado en láminas para que posteriormente fuera calentado por vapor y presionado contra moldes metálicos. Entonces era empleado para producir pequeños artículos de plástico, por lo cual los avances tecnológicos se estancaron.
Desde principios del siglo XX se han conocido algunas técnicas del formado de láminas, usando materiales como el metal, vidrio y fibras naturales. Los verdaderos principios del formado al vacio se dieron con el desarrollo de los materiales termoplásticos, lo cual fue durante la segunda Guerra Mundial, cuando se utilizaron acrílicos de alto espesor para formar los parabrisas y las cabinas de los bombarderos.
Desde esa época ha habido avances en cuanto a resinas, maquinaria y tecnología de moldes. Los años de postguerra trajeron los grandes volúmenes de comercialización y el rápido desarrollo de equipos y maquinaria capaces de adaptarse a los métodos modernos de manufactura, para producir productos más útiles y más rentables.
Durante los años cincuenta, los volúmenes de producción de materiales termoplásticos y los productos hechos con ellos alcanzaron cifras impresionantes. La década de los 60's fue una era que cimentó las bases del futuro desarrollando la industria del formado al vacio.
En los años 70's, los grandes consumidores y la competencia entre productos, demandaron máquinas de alta velocidad y productividad. Los productores de equipo satisficieron tales necesidades con máquinas capaces de producir cerca de cien mil piezas individuales formadas al vacio por hora. También hubo necesidad de sofisticar los controles.
Desde la década de los 80's hasta la fecha, las máquinas de formado al vacio han ganado tal confianza en su proceso, que han ido mas allá de sus expectativas y han establecido líneas continuas capaces de producir artículos a partir ya no de lámina, sino del pellet de resina; además de reciclar su desperdicio con un mínimo de control. Los equipos se han computarizado y hoy permiten un automonitoreo y funciones de diagnóstico.
Actualmente, los equipos muy complicados no requieren más de una persona para su manejo y control gracias a los avances de la electrónica.
Por lo anterior, se cree que el mercado de trabajo de la industria del formado al vacio experimentará una escasez de personal técnico entrenado y experimentado, ya que los
conocimientos tradicionales ya no serían suficientes; por lo tanto, conferencias, seminarios, cursos, servirían para incrementar el conocimiento general en el proceso de formado al vacio, y darían mayor madurez a ésta bien cimentada industria.
-Productos Fabricados por Formado al vacio
Muchos de los productos que son elaborados mediante el formado al vacio actualmente, han sido hechos para reemplazar sus formas de uso original; esta situación se ha dado tan rápidamente que ya casi se ha olvidado cuales eran éstas; por ejemplo, no es fácil recordar en que se empacaban las hamburguesas antes de los empaques de una sola pieza de poliestireno o de que material se recubrían los interiores de los refrigeradores.
El listado que a continuación se proporciona, inicia con el producto de mayor número de piezas termoformadas producidas y va en orden descendente hasta el de menor producción.
-Industria del empaque
Desde el inicio del proceso de formado al vacio, la industria del empaque ha sido la más beneficiada debido a la alta productividad y las bondades que ofrece por costo-beneficio.
Actualmente, la mayor parte de los equipos de empacado (blister) son de alimentación automática de alta velocidad. Estos equipos se denominan "forma-llena-sella" y sirven para el empacado de cosméticos, carnes frías, dulces, artículos de papelería, etc.
-Industria de la comida para llevar
En la creciente industria de la "comida para llevar", existe una gran cantidad de productos formado al vacios utilizados, que abarca desde contenedores de comida completa (contenedores con divisiones) hasta los empaques para hamburguesas, sandwiches, refrescos, etc.
Generalmente, la industria mencionada requiere una impresión en los paquetes formados al vacio. Esta impresión podría realizarse antes o después del formado al vacio; ejemplos de estos productos son charolas, vasos, contenedores de sándwich, hamburguesas, hot dogs, etc.
-Industria del empaque para alimentos
Los supermercados son los grandes usuarios de contenedores que utilizan este método, los materiales utilizados son termoplásticos de bajo costo. Estos contenedores están diseñados para ser apilados o acomodados en diferentes formas. Ejemplos: contenedores para carne, frutas, verduras.
-Transporte
El transporte público y privado como el camión, tren, metro, avión, automóvil, cuentan dentro de su equipo con numerosas partes de plásticos formadas al vacio; la mayoría de estos son usados para el acabado de interiores o partes externas que no sean estructurales. Entre otros: asientos, respaldos, descansabrazos, vistas de puertas, mesas de servicio, parabrisas, protectores de instrumentación, guardas, spoilers, etc.
-Señalización y anuncios
Son fabricados generalmente en acrílico y pueden ser de una sola pieza y de grandes dimensiones. En estos anuncios o señalizaciones, usualmente se emplea acrílico transparente (cristal) y el color es pintado por el interior con pinturas base acrílica.
El uso del acrílico en exteriores hace que los anuncios sean resistentes a la intemperie y virtualmente libres de mantenimiento, además de soportar condiciones extremas de frío o calor. Como ejemplos de éstos se tienen los anuncios luminosos exteriores, interiores, señalamientos en lugares públicos, oficinas, etc.
-Artículos para el hogar
Existe una gran cantidad de artículos para el hogar las cuales son producciones de alto volumen. Se encuentran, por ejemplo, en gabinetes, lavadoras, lavaplatos, secadoras de ropa, refrigeradores, ventanillas de aire acondicionado, humidificadores, gabinetes de televisión y radio, etc.
-Industria alimenticia
Uno de los más antiguos y mayores consumidores de productos es la industria alimenticia. El uso de charolas y otros accesorios tienen un potencial de consumo mayor, puesto que, además de los grandes usuarios como son hospitales, guarderías, escuelas, ferias y otros, se agregan el sector militar y organizaciones de ayuda internacional.
Ejemplos: charolas, vasos y platos.
Industria médica
La industria médica requiere de una gran variedad de productos y empaques esterilizados para hospitales, clínicas y consultorios. Las especificaciones de estos productos suelen ser muy estrictas y el uso del reciclado de materiales, es inaceptable.
-Agricultura y horticultura
La comercialización de plantas de ornato en supermercados y tiendas especializadas ha generado, desde hace tiempo, la necesidad de fabricar macetas y pequeños contenedores, inclusive hasta de múltiples cavidades para la exposición y venta. Este tipo de contenedores son fabricados con plásticos reciclados y a bajo costo. Como ejemplos se pueden citar: macetas, contenedores de diferentes tamaños de una o varias cavidades, pequeños invernaderos, charolas para crecimiento de semillas, contenedores para siembra, etc.
-Construcción y vivienda
Hay una gran cantidad de productos que fácilmente se han sustituido por piezas formadas al vacio; de hecho, hay productos que no se podrían fabricar de otra forma, como los domos o arcos cañón. El acrílico en este sector se ve ampliamente utilizado por sus propiedades de resistencia a la intemperie y termoformabilidad.
Ejemplos de estos son: domos, arcos cañón, tinas de hidromasaje, módulos de baño, lavabos, cancelería para baños, mesas, sillas, bases para lámparas, artículos de cocina, relojes, fachadas, escaleras, divisiones.
-Equipaje
Algunas empresas fabricantes de equipaje, están optando por usar el proceso de formado al vacio puesto que presenta ventajas sobre los productos por inyección, ya que por ser un moldeo libre de esfuerzos, se reducen las posibilidades de fracturas en los equipos de las piezas termoformadas. Ejemplos: maletas de todo tipo, portafolios, etc.
-Equipo fotográfico
Uno de los productos más antiguos en el formado al vacio, son las charolas para revelado, además de los cubos para flash (el reflector metálico) y el magazine para cámaras de piso, aún cuando su producción requiere una técnica de formado al vacio de precisión.
-Maquinas y partes del Formado al Vacio
Básicamente existen dos tipos de máquinas para el formado al vacio:
1. Máquinas de estación simple 2. Máquinas de múltiples estaciones.
La primera recibe su nombre porque el calentamiento del material se da básicamente en la misma estación como se muestra en la figura 2.1. Generalmente el sistema de calentamiento se lleva hasta en donde se encuentra el material y después se retira para su posterior moldeo. El tiempo necesario para los subprocesos de calentamiento, formación y enfriamiento del material se encuentran realizados en un solo ciclo.
Fig. 2.1. Maquina de Formado al Vacio
La segunda es la máquina con múltiples estaciones que recibe su nombre porque los subprocesos se dan en estaciones distintas como se muestra en la figura 2.2, en donde el material es el que se va transportando por las distintas estaciones.
Fig. 2.2. Maquina de múltiples estaciones.
A estas máquinas se les puede alimentar con el material de forma manual o automática.
Si es en película o rollo de plástico, si el material viene en láminas las máquinas tienen generalmente un sistema para la introducción de este. El espesor que generalmente se utiliza puede variar entre 0,1 a 12 mm. Para que el proceso se simplifique, de manera de que se pueda realizar procesos en masa, se recomienda la utilización de películas de plástico que vienen hasta de 2,5 mm de espesor así la alimentación puede ser continua y mucho más ágil.
Básicamente las partes que componen una máquina de formado al vacio son las siguientes:
- Estación de conformado (mesa y bastidor)
- Sistema de calentamiento (banco de resistencias) - Molde
- Equipo de vacio (Bomba de vacio) - Caja para el vacio
A continuación se da una breve explicación de cada una de las partes que lo componen:
- Estación de conformado (mesa y bastidor)
El bastidor es el encargado de soportar y de servir de base a todos los componentes que están colocados sobre la estructura.
La mesa de formado es la responsable de contener el molde que le dará la forma a la lamina, aquí la lamina de poliestireno de alto impacto es colocada sobre esta y sujetada para posteriormente ser calentadas por el grupo de resistencias.
- Sistema de calentamiento
Debido a los avances que se han tenido en la maquinas de formado al vacio hoy en día se cuentan con diferentes sistemas de calentamiento ocupadas para reblandecer la lámina, dentro de estos sistemas de calentamiento tenemos los siguientes:
a) Hornos de Convección
Fueron utilizados en los primeros equipos para el calentamiento de hojas plásticas y hasta hoy en día se mantiene esta preferencia para el calentamiento de láminas de diferentes espesores y para una distribución uniforme de la temperatura.
Éste proporciona calor uniforme y temperatura constante con el mínimo riesgo de sobrecalentar la lámina. Estos a su vez se subdividen por el tipo de forma de calentamiento, estos son:
- hornos de gas.
- hornos eléctricos.
Los hornos de gas requieren de intercambiadores de calor para prevenir la acumulación de tizne provocado por el flujo de gas, así como controles para interrumpir el paso de gas en caso de ser necesario.
Necesitan una recirculación forzada de aire y deflectores para lograr que el aire circule ya que son cruciales para obtener una temperatura homogénea mostrada en la figura 2.3. En esta clase de hornos la temperatura del horno debe ajustarse a la temperatura de formado del plástico.
Las partes que conforman a un horno de gas se pueden dividir en los siguientes subsistemas:
1. Estructura.
2. Fijación de la lámina.
3. Sistema eléctrico.
4. Instalación de gas.
5. Controles.
Fig. 2.3. Estructura de horno de gas con recirculación de aire.
Por otra parte tenemos los hornos eléctricos que pueden ser calentados utilizando grupos de resistencias las cuales se controlan mediante termopares o termistores y el calentamiento de la lámina se establece en relación al tiempo, esta clase de resistencias resultan mas económicas en comparación con los de radiación infrarroja, el inconveniente de esta clase de resistencias radica en que se deterioran rápidamente por la oxidación.
b) Hornos de Calentamiento Infrarrojo
Es comúnmente utilizado en las máquinas automáticas, calentando la lámina por medio de radiación a una velocidad de 3 a 10 veces más rápido que en un horno con circulación forzada de aire (mostrado en la figura 2.4), proporcionando así, ciclos de calentamiento muy reducidos, aquí la relación temperatura-tiempo se vuelve crítica y es más difícil obtener un calentamiento uniforme del material.
Fig. 2.4 Horno de Recalentamiento Infrarrojo
Esto de debe a que el calentamiento por radiación infrarroja el tiempo es extremadamente corto, la energía calorífica que absorbe la lámina puede provocar un sobrecalentamiento, que inclusive, repercutirá en la degradación del material si no se controla.
El calentamiento por radiación infrarroja se puede obtener usando elementos tubulares de metal, resistencias eléctricas de espiral (tipo resorte), o agrupando lámparas de luz infrarroja, pero el orden de importancia es el siguiente:
1. Filamentos de tungsteno en tubos de cuarzo o lámparas (2,200° C de temperatura).
2. Resistencia tipo resorte de nicromio en bases de cerámica refractaria.
3. Resistencias de nicromio protegidas por tubular de lámina o acero inoxidable.
La figura 2.5 es una muestra del tipo de resistencias que se pueden emplear físicamente en los hornos de recalentamiento Infrarrojo.
Fig. 2.5 Resistencia de cuarzo.
c) Resistencias eléctricas de Calentamiento lineal
En este tipo de calentamiento las resistencias lineales son de alambre figura 2.6, encerradas en tubos de cerámica Pyrex, esta clase de resistencias no entran en contacto con el material debido a que puede producir marcas en la superficie.
Cuando se va a calentar por este procedimiento material de más de 4.0 mm. de espesor, es aconsejable colocar resistencias en ambos lados del mismo.
Fig. 2.6 Resistencia eléctrica.
- Moldes
Uno de los aspectos más importantes que se deben tomar en cuenta para el formado al vacio de piezas, es la técnica a emplear, ya que si por las características del producto se utiliza una técnica inadecuada, lo más probable es que se presenten problemas antes de obtener una pieza con las especificaciones que se desean.
Por eso, antes de proceder a fabricar un molde debemos considerar lo siguiente:
1. La forma y dimensiones de la pieza.
2. La apariencia deseada.
3. La técnica de formado al vacio.
Con base en estos factores, se podrá planear y anticipar posibles defectos de las piezas, la siguiente figura 2.7 muestra la pieza de un molde.
Fig. 2.7 Pieza formada.
- Consideraciones para el Diseño del Producto.
Hay que mencionar que la técnica de formado al vacio aunque versátil y flexible, difiere en cuanto a apariencia y características en comparación a los productos fabricados por otros tipos de procesos, ya que cada proceso realiza ciertos productos con diferentes ventajas.
Por ejemplo para el diseño de piezas formadas al vacio es necesario establecer los siguientes criterios cuando se vaya a optar por este tipo de tecnica:
1. Deberá considerarse un adelgazamiento en el espesor del material, esto dependerá más que nada de la forma, tamaño. En términos generales se puede considerar que el adelgazamiento en el espesor del material es directamente proporcional a la altura de la pieza.
2. Deberá considerarse un ángulo de salida de moldeo entre 3° y 5°.
3. Deberá tomarse en cuenta la contracción en la pieza al enfriarse.
4. Por lo general, la superficie de la pieza formada será lisa, aunque es posible obtener algunas texturas.
5. En el diseño de la pieza es conveniente incluir radios grandes; es posible obtener aristas, pero podrán causar rasgaduras en el material.
Debido a que en la actualidad existen infinidad de procesos para la transformación de los plásticos, se muestra a continuación las diferencias entre el proceso de inyección y el proceso de formado al vacio mostrada en la tabla 2.1, esto con la finalidad de conocer cuánto difieren los procesos conforme a sus variables.
VARIABLES PROCESO
INYECCIÓN FORMADO AL VACIO
Espesor Constante. Variable.
Ángulos de salida del molde
0.5° a 1°. 3°- 5°.
Temperatura de moldeo 200° C – 240° C. 160° C – 180°C.
Tolerancia dimensional Excelente. Relativamente buena, no para piezas de precisión.
Insertos Es posible la inserción de elementos en otros materiales.
Se puede preparar la superficie del molde para admitir insertos.
Acabado superficial Se pueden lograr superficies lisas o con cualquier textura.
Sólo superficies lisas.
Producción Alta producción, cientos o miles de piezas diarias.
Media producción algunas decenas de piezas diarias
Molde Son de acero con aleaciones o tratados, alto costo,
diseño complejo, molde macho hembra.
Variedad de materiales, costo relativamente bajo, diseño sencillo, se puede utilizar molde hembra o macho.
Scrap
(Desperdicio de material)
Depende de la forma de la pieza, aproximadamente un 25% de desperdicio y es recuperable.
Radios Es necesario redondear las aristas, aproximadamente 1.5 del espesor del material.
Se requieren radios comparativamente más grandes, desde 1cm. A 5 cm. Depende de la forma y profundidad.
Tiempo del molde De 3 a 6 meses. 1 mes máximo.
Tratamiento y acabados posteriores
Se puede aplicar cualquier tratamiento o acabado (pintado, metalizado, serigrafía, etc.)
Se puede aplicar cualquier tratamiento o acabado (pintado, metalizado, serigrafía, etc.)
Tabla 2.1 Diferencias entre el proceso de inyección y el formado al vacio.
-Criterios para el diseño del molde.
Los criterios que se presentan a continuación, son los factores base para la producción de piezas formadas al vacio. Estos son el punto medular para cualquier desarrollo que se pretenda fabricar, pero también es de vital importancia profundizar en estos conceptos.
Estos criterios básicos y las consideraciones en el diseño de moldes son parámetros fundamentales para la construcción de moldes de formado al vacio, no importa la complejidad que éstos puedan tener.
Hay que hacer mención también que en la construcción de moldes es necesaria la evaluación de los siguientes conceptos:
1. Forma y dimensiones de la pieza.
2. Apariencia de la pieza.
3. Volumen estimado de fabricación.
De estos conceptos, posiblemente el más importante sea el del volumen estimado de producción, ya que de éste dependerá la definición del tipo de molde, material, acabado y técnica de formado al vacio. A continuación se presentarán los criterios para el diseño del molde:
1. Un molde macho es más fácil de usar figura 2.8.1, cuesta menos y es el más adecuado para formar piezas profundas. Con lo que respecta a los moldes tipo hembra no deberá emplearse para formar piezas que requieran una profundidad mayor de la mitad del ancho de la pieza y se usará cuando la pieza terminada requiera que la cara cóncava no tenga contacto con el molde.
Fig. 2.8.1 Molde Macho
2. Los moldes deberán contar con suficientes orificios de vacío para que la lámina revenida pueda conformarse a las partes críticas del molde, figura 2.8.2, los orificios de vacío deberán hacerse en las partes más profundas y en las áreas en donde el aire pueda quedar atrapado, deben ser lo suficientemente pequeños para no causar marcas (se recomiendan diámetros de 1/32" a 1/8"). Se puede lograr un vacío más efectivo si el orificio es agrandado por la parte interna.
Fig. 2.8.2 Salidas de Aire.
3. Se debe proveer de conductos que permitan la circulación de agua o aceite a través del molde cuando se requiera un control de temperatura en el mismo, figura 2.8.3.
Fig.2.8.3 Sistema de enfriamiento
4. Cuando las dimensiones de la pieza formada sean críticas, los moldes deberán construirse de dimensiones mayores para compensar la contracción del material.
La contracción que debe esperarse de la temperatura de moldeo a la temperatura ambiente es de 1% máximo.
5. Se puede realizar una pequeña curvatura del molde en las partes planas de las áreas grandes Figura 2.8.4, esto con el fin de permitir obtener áreas planas al enfriar el material.
Fig. 2.8.4 Curvatura en molde.
6. No se podrán obtener piezas con paredes a 90°, el molde deberá tener un ángulo de salida de por lo menos 3°, figura 2.8.5.
Fig. 2.8.5 Angulo de salida.
7. Se recomienda redondear las aristas, ya que en los vértices se acumulan esfuerzos internos, figura 2.8.6. Para mejorar la resistencia de la pieza se pueden diseñar orillas, esquinas y cantos redondeados.
Fig. 2.8.6 Curvatura en molde.
8. En partes donde el espesor sea delgado o débil se pueden reforzar con costillas de refuerzo, figura 2.8.7, estas costillas reforzarán también áreas planas de gran tamaño.
Fig. 2.8.7 Reforzamiento con costillas.
-Materiales empleados en la fabricación de moldes.
En el formado al vacio se tiene la ventaja de utilizar presión y temperatura relativamente bajas, por esta razón se pueden utilizar una gran variedad de materiales para la fabricación de los moldes.
Además, su puesta en servicio es rápida, al igual que el cambio de molde, lo que permite una gran flexibilidad del proceso, lo que hace que resulte un proceso muy económico.
Los materiales que se utilizan en la fabricación de moldes son:
1. Madera 2. Minerales
3. Resinas plásticas 4. Metales
Los moldes de madera, se fabrican a partir de maderas previamente secadas al horno, esto con la finalidad de evitar deformaciones debidas al ciclo térmico del proceso, para evitar estos cambios dimensionales se puede sellar con barniz fenólico o resina epóxica.
Para mejorar el acabado de un producto, se deberá hacer que la veta de la madera, sea lo mas paralela posible a la longitud del molde.
La característica esencial en los moldes de madera es su baja conductividad térmica, ya que esta favorece a que la hoja no se enfríe rápidamente al primer contacto, la desventaja en esta clase de moldes se presenta cuando se tiene una mediana o alta producción ya que los moldes de madera son inadecuados, generalmente se emplean para una baja producción.
Los moldes fabricados con cargas minerales, resinas poliester o de poliuretano rígido tienen la facilidad de poder vaciarse en un molde y obtener múltiples cavidades. Las propiedades térmicas de las resinas poliéster o epoxicas las hacen adecuados para producciones medianas.
Los moldes metálicos son los mejores para altas producciones, se pueden emplear materiales tales como el aluminio o el acero, estos son fáciles de maquinar con lo cual se pueden obtener buenos acabados en la superficie. Debido al calentamiento y por su conductividad térmica de estos materiales se hace necesario que cuenten con un sistema de enfriamiento.
Para producciones en serie grandes será necesario incorporar un termostato para asegurar que exista la menor fluctuación de temperatura en la superficie del molde, evitando así un calentamiento o un enfriamiento excesivo.
A continuación se presenta la tabla 2.2 con los diferentes materiales que se emplean, además de presentar las ventajas y desventajas que poseen.
GRUPO MATERIALES EMPLEADOS
VOLUMEN DE PRODUCCIÓN
CARACTERISTICAS
Maderas Pino, Caoba, Cedro, Triplay.
Baja -Moldes de bajo costo.
-Tiempo de fabricación corto.
-Acabado superficial corto.
-Moldes fabricados de triplay tienen mayor duración.
-Se pueden reforzar las aristas para aumentar el tiempo del molde.
Minerales Yeso (carbonato de calcio) Fluosilicato de sodio
Baja Mediana
-Moldes de bajo costo.
-Poseen mayor duración que un molde de madera.
-Alta resistencia
-Reforzados en el interior con malla metalica, fibra de vidrio.
-Los recubrimientos a base de resina proporcionan una superficie resistente.
Resinas plásticas
Resina poliéster, epóxica, Resina fenólica, Laminados plásticos, Nylon
Mediana -Ofrecen mayor duración.
-Superficies tersas
-Buena estabilidad dimensional.
-Son mas costosos y elaborados que los de yeso o madera.
Metálicos Aluminio, Cobre-berilio,
Fierro,acero
Alta -Altas presiones.
-Pueden usarse moldes de aluminio, acero, latón o bronce o cualquier otra aleación de bajo punto de fusión.
-Son los más costosos.
-Tiempo de fabricación es largo.
-Excelente acabado superficial.
-Costo de mantenimiento relativamente bajo.
-Estabilidad dimensional excelente.
-Es forzoso utilizar sistema de enfriamiento, así como evitar enfriamientos rápidos en la pieza.
Tabla 2.2 Materiales empleados en moldes.
-Bomba de Vacio
Finalmente en el proceso de formado se necesita desalojar todo el aire comprendido en la cámara, este aire es extraído por los pequeños orificios que se encuentran en el fondo del molde y debido a la misma extracción del aire se provoca una fuerza en toda la superficie de la lamina obligándola a adoptar los contornos de nuestro molde, ayudada en gran parte por la presión atmosférica ya que el vacio provocado en el interior de la cámara es mucho menor a esta, haciendo que la misma presión atmosférica comprima a la lamina contra las paredes del molde.
Al realizar la extracción del aire lo que se hace es crear un vacio y para realizarlo se emplean las bombas de vacio. Existe una gran variedad de bombas de vacío: tales como
las de pistón reciprocante, de diafragma, de paletas, de rotor excéntrico y todas estas proporcionan un buen vacío.
Las más usuales en la industria para el formado son las rotativas con paletas deslizantes, mostrada en la figura 2.9.
Dos características fundamentales de toda bomba de vacío son: la presión límite o presión mínima de entrada que es la presión más baja que puede obtenerse, y el tiempo necesario para alcanzarla. Ambos factores no dependen sólo de la bomba utilizada, sino también del volumen del recipiente a evacuar
El funcionamiento de una bomba de vacío está caracterizado por su velocidad de bombeo y la cantidad de fluido evacuado por unidad de tiempo, Un adecuado sistema de vacío requiere de una bomba capaz de desplazar de 710 a 735 mm Hg, lo cual dependerá en gran medida de la pieza a fabricar.
Fig. 2.9 Bomba de vacio de paletas deslizantes.
Unas de las consideraciones en el proceso de vacío es mantener el tiempo suficiente para que se enfríe y resista la fuerza interna del material que tenderá a conservar la forma original, causando ondulaciones y pandeo. Como sugerencia, entre más rápido se haga el vacío, la apariencia de la pieza será mejor, ocasionalmente es conveniente una velocidad de formado lenta para piezas muy profundas.
CAPITULO 3
MÉTODOS DE FABRICACIÓN MEDIANTE EL FORMADO AL VACIO
Los materiales plásticos que se obtienen industrialmente se presentan de diferentes formas, estos materiales se someten posteriormente a técnicas de conformación muy variadas según las aplicaciones a las que se destinen y la forma que se les quiera dar.
La conformación de un material consiste en darle una forma predefinida y estable, cuyo comportamiento sea adecuado a las aplicaciones a las cuales está destinado. Es muy fácil conformar polímeros, admitiendo los mismos procesos que los metales.
Los métodos de conformación son distintos dependiendo de la materia prima de la cual se parte. Los polímeros termoplásticos se comportan de una forma plástica a elevadas temperaturas y al enfriarse se solidifican con la forma deseada. Pueden ser conformados en caliente, enfriados y posteriormente ser recalentados de nuevo sin variar su comportamiento, así pues se pueden hacer conformados sucesivos.
El formado al vacio es el término generalmente utilizado para el proceso de producción de artículos formados a partir de una hoja plana, con ayuda de presión y temperatura.
Consiste en la formación de bandejas u otro tipo de productos a partir de una película plástica que por medio de calor y sobre un molde predeterminado que está conectado a una fuente de vacío, hace que el material tome la forma requerida y plasmada en dicho molde. Otra manera de conformar la lamina plástica es inyectando aire a presión sobre la película para que ésta tome la forma exacta del molde.
Este procedimiento para el proceso de algunos materiales plásticos es uno de los más sencillos, aparentemente, pero contiene gran cantidad de variables que lo hacen complejo a la hora de medir los estándares de la calidad que requieren los clientes.
En su forma más elaborada, los productos obtenidos por formado pueden alcanzar tolerancias exigentes, finos detalles y especificaciones precisas y cuando se utilizan técnicas avanzadas de terminación o acabado de alta tecnología pueden alcanzar resultados similares a los productos obtenidos a través del moldeo por inyección.
Las fuerzas de formado más comúnmente utilizadas en el proceso de formado al vacio son:
-Formado mecánico.
-Técnicas combinadas.
-Vacío o aire a presión.
La selección de una fuerza de formado, generalmente está condicionada al tamaño del producto o volumen a producir.
-Formado mecánico
Es un proceso en el que no se utilizan presión de aire ni vacío para conformar la pieza, en este caso la hoja calentada es acomodada sobre la superficie de un molde que usualmente tiene una superficie suave y la gravedad es suficiente para curvar la hoja; es necesario que el borde de la hoja sea sujetado para mantenerlo en posición hasta que la pieza enfríe.
En esta clase de técnica se pueden emplear moldes macho-hembra para el formado de piezas complicadas, figura 3.1, en esta técnica de moldeo, una hoja calentada es formada entre dos moldes opuestos entre si pero con contornos similares (macho-hembra).
Cuando los moldes se unen entre si, los contornos forzarán a la hoja a tomar idéntica forma, entre el espacio creado entre los dos moldes. Cualquier protuberancia en el molde macho, mecánicamente forzará al plástico en la contraparte del molde hembra.
Fig. 3.1 Moldes para formado mecánico.
Este procedimiento requiere un excelente acabado de los moldes para reducir al mínimo las marcas de los mismos.
-Técnicas Combinadas
En el formado mecánico el molde macho-hembra no depende solamente de las fuerzas que se empleen; usualmente este tipo de formado puede ser combinado con vacío, aire a presión o las dos al mismo tiempo. Consecuentemente, el molde macho-hembra no tiene que coincidir exactamente, el molde macho podrá ser relativamente inferior en dimensiones y substancialmente diferente en forma al molde hembra.
Cuando están hechos de esta forma pueden actuar como "empujadores" en la hoja plástica. Este tipo de asistencia se denomina ayuda mecánica, porque presiona el material reblandecido en el molde hembra. El propósito de esta ayuda es el de preestirar el material para que la forma final sea lograda en combinación de vacío y/o presión de aire, como se muestra en la figura 3.2.
Fig. 3.2 Empleo de técnicas combinadas.
Usando ayudas mecánicas en el proceso, se tiene la ventaja de una mejor distribución del espesor del material. Con la combinación de estas técnicas se puede obtener muchas variantes en el proceso. Dichas variantes pueden ser cambios en la presión de vacío, el tiempo de aplicación de vacío o presión, la velocidad de cierre de los moldes, o los ciclos de formado.
-Formado al Vacio
El principio básico del proceso de formado al vacío es contar con una lámina termoplástica reblandecida en un molde perfectamente sellado y donde el aire atrapado será evacuado por la fuerza de vacío o succión. A medida que el aire es evacuado del molde, causa una presión negativa sobre la superficie de la hoja y por lo tanto, la presión atmosférica natural cederá para forzar a la hoja calentada a ocupar los espacios vacíos.
El formado es un proceso que consiste en dar forma a una lámina plástica por medio de calor entre los 120 ºC y los 180 ºC dependiendo del material a utilizar y un vacío de 600 a 760 mmHg, utilizando un molde fabricado de madera, resina epóxica o aluminio, cabe señalar que un exceso de temperatura puede "fundir" la lámina y la falta de calor o una mala calidad de vacío incurrirá en una pieza defectuosa y sin detalles definidos.
A diferencia de otros procesos como la inyección, el soplado y el rotomoldeado, el formado al vacio parte de una lámina rígida de espesor uniforme realizada por el proceso de extrusión y no en forma de pellets, con lo cual se permite realizar pequeñas producciones por su bajo costo llegando a ser rentable en altas producciones también.
-Características del Material
Para realizar la charola de servicio tomaremos en cuenta el uso que brindara, por lo tanto debera contener caracteristicas especificas y adecuadas, por ejemplo:
Se necesitara que sea de un material con excelente resistencia al impacto que otorge una buena resistencia termica y que sea un material adecuado para nuestro proceso, ademas que sea reciclable y que se pueda disminuir la contaminacion del medio ambiente debido al proceso generado.
El material que nos otorga estas propiedades es el poliestireno de alto impacto, pero es necesario conocer las caracteristicas de este polimero, estas caracterisiticas las obtenemos conforme a la ficha tecnica del poliestireno que se encuentra en el anexo 1:
HIPS Temperatura de
defleccion al calor Temperatura de formado Densidad Conductividad termica
Calor de Fusion
ºC Temp. de
la hoja (ºC)
Temp. del molde (ºC)
g/cm3 W / m·K Cal/g
85-95 140-170 45-65 1.06 0.16 30.55
Tabla 3.1 Caracterisitcas del HIPS.
Estos valores mostrados en la tabla 3.1 son utiles cuando se necesitan saber las condiciones a las que se debe de trabajar con la lamina de poliestireno en el proceso de formado al vacio.
Otro dato importante que se debe de considerar en la lamina de poliestireno de alto impacto son las medidas generales mostradas en la tabla 3.2, ya que conforme a estas se podra saber el tamaño de la mesa de formado :
Medidas de la Lamina
Espesor 3mm
Largo 1.50 mts.
Ancho 1.20 mts.
Colores Blanco, Negro, Naranja
Acabado Suave
Descripicion -Permite el contacto con alimentos,No se corroe ni expide gases tóxicos,100% reciclable.
Tabla 3.2 Medidas de la lamina de HIPS.
La forma de presentacion del poliestireno puede venir en forma de lamina la cual es obtenida mediante el proceso de extrusion o en forma de pellets los cuales son pequeños granulos que pueden venir en sacos de 25 Kg, en cajas de 500Kg. e inclusive en presentaciones de 750Kg. Para nuestro trabajo se opta por la presentacion en forma de hoja o lamina la cual es apta para este proceso.
Fig. 3.3 Presentacion del HIPS.
Este tipo de polimero se comercializa bajo el nombre de poliestireno de alto impacto (HIPS), el poliestireno de alto impacto se puede encontrar en el mercado en varios colores, medidas y espesores, inclusive se pueden mandar a fabricar bajo medidas o espesores especiales.
Ya que conocemos las caracteristicas y medidas de nuestra hoja de poliestireno de alto impacto se deben de conocer las medidas de la charola a fabricar mediante el formado al vacio, mostradas en la tabla 3.3, las caracteristicas generales de la charola de servicio son las siguientes:
Medidas
Largo 61.5 cm.
Ancho 30.5 cm.
Altura 5.6 cm.
Tabla 3.3 Dimensiones de la Charola.
Como se puede apreciar en el plano del anexo 2, la charola de servicio posee estas medidas ademas de que sera una charola doble debido a la configuracion como se muestra en el dibujo.
Para realizar esta charola doble el proceso de formado al vacio constara de multiples etapas para la comformacion del producto final, por lo tanto a continuacion se explica el procedimiento de fabricacion.
-Proceso de Fabricación
Para la fabricacion de la charola de servicio mediante el formado al vacio, primeramente se tendra que cortar la lamina en varias partes iguales para obtener el mayor numero de charolas dobles,como se muestra en la figura 3.4.
Fig. 3.4 Corte de la lamina.
Obteniendo en total 25 charolas por cada lamina de poliestireno de alto impacto, las dimensiones a las que se corta la lamina son de 22.8 x 30.5 cm aproximadamente.
Una vez que se ha cortado la lamina a las medidas mencionadas, lo que se hace es colocar una de las hojas previamente cortadas sobre el marco de la maquina, este marco se encuentra dividido en dos partes.
La primera parte del marco se encuentra apoyado sobre la mesa de formado, lo cual se puede considerar como la parte fija del marco, mientras que la otra parte del marco es la encargada de sujetarla durante la fase de vacio, la cual la convierte en la parte movil del marco.
La siguiente figura muestra el corte de una maquina de formado al vacio, como se puede observar el marco sujeta a la lamina plastica para evitar que se mueva mientras el vacio actua en la camara interior de la maquina.
Bajo esta condicion se asegura que la lamina queda perfectamente sujetada en todo su contorno, figura 3.5, ademas de ayudar a sellar completamente la caja de vacio.
Fig. 3.5 Forma de sujecion de la lamina.
Una vez colocada la lamina sobre la mesa de formado el siguiente paso es calentar la lamina por medio de resistencias.
Las resistencias con las que se calienta la lamina estan colocadas en la parte interna de la caja de la maquina y son las responsables de transmitir el calor requerido a la misma, figura 3.6. En algunos casos el calentamiento se puede generar en ambos lados de la hoja y es a lo que se conoce como calentamiento tipo sandwich, en este caso el calentamiento de la hoja solo se dara en una sola cara debido a que el espesor de la lamina es de tan solo 3 mm de espesor, mientras que el calentamiento tipo sandwich solo se emplea para espesores mayores a 6 mm.
Cabe destacar que durante el proceso de calentamiento en la lámina, la temperatura es el factor más importante; por lo que ésta deberá controlarse cuidadosamente. Ya que temperaturas bajas ocasionan esfuerzos internos excesivos en la pieza formada, disminuyendo su resistencia y tornándose susceptible a la deformación y a la fractura.
Mientras que a altas temperaturas se puede provocar que el material presente en la superficie una serie de burbujas en la superficie, reduciendo su resistencia durante el formado, también se pueden producir marcas debidas por el molde.
El rango de temperatura adecuado de formado para el poliestireno de alto impacto está entre los 140° C y los 170° C. por lo tanto, la determinación está basada en el comportamiento de la hoja.
Lo que sucede con el aumento de temperatura en el material durante el calentamiento, es la disminiucion de la fuerza de tensión dandonos por resultado que la hoja se vuelva mas maleable.
Fig. 3.6 Calentamiento de la lamina.
En este proceso es de suma importancia pues dependiendo de esto se realiza un formado de alta o baja calidad, en esta etapa del proceso el material es calentado desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de formado
Por lo tanto es indispensable considerar tambien el calor ya que la operación de calentamiento es una de las etapas en las que se pueden presentar las mayores dificultades, ocasionando el mal aprovechamiento de recursos materiales y humanos.
Otro de los factores a considerar en la etapa del calentamiento es el tiempo que se emplea en la lamina, ya que no todos los materiales pueden terner las mismas condiciones.
Las caracterisiticas para determinar el tiempo que debe someterse al poliestireno de alto impacto al calentamiento, depende del espesor de la lámina, equipo de calentamiento y el tipo de formado que se emplee.
En este caso estos parametros son conocidos y son de utilidad para poder conocer el tiempo requerido que permaneceran las resistencias para transmitirle el calor requerido durante el periodo de reblandecimiento del poliestireno.
Existe una formula empleada para conocer el tiempo de exposicion del material al calentamiento, esta formula contempla tan solo el espesor del material por una constante.
t 2.1 · e
Por lo tanto el tiempo para el poliestireno de alto impacto es de 6 minutos y 18 segundos.
Aunque cabe señalar que existen variables que pueden modificar esta fórmula, tales como: la temperatura ambiente donde se encuentra localizado el equipo, la época del año (especialmente en climas extremosos), la fluctuación en el espesor del material y las condiciones del equipo entre otras.
Fig. 3.7 Temperatura de la lamina adecuada.
Una vez que la lamina a llegado a su punto de reblandecimiento aproximadamente alrededor de los 140º C, figura 3.7, que es la temperatura conveniente para la lamina de poliestireno de alto impacto, el banco de resistencias electricas deja de funcionar para que posteriormente se haga el vacio y la lamina adopte la forma del molde obteniendo la charola de servicio como se muestra en la figura 3.8.
