Procesos de Moldeo
Estás rodeado de un sinfín de estas piezas en tu vida diaria — la carcasa de tu teléfono, la tapa del refresco, el control remoto, la secadora de pelo, el cepillo de dientes. Todas nacieron de alguno de estos procesos. ¿Alguna vez te has preguntado cómo se hacen?
De forma general, los procesos de transformación de los polímeros son los que participan en la conversión de los gránulos o polvos a productos de uso práctico. Hay varios procesos de transformación; aquí en Todo en Polímeros hemos decidido dividirlos en procesos de moldeo, para los que requieren un molde, y procesos de extrusión, para los que requieren un dado y son continuos.
Existen diferentes procesos de transformación por moldeo; aquí hablaremos de los más utilizados o comunes:
- Moldeo por Inyección
- Co-Inyección y Bi-Inyección
- Sobremoldeo
- Moldeo por Compresión
- Moldeo Rotacional o Rotomoldeo
- Inyección Soplado (IBM) e Inyección Estirado Soplado (ISBM), estos dos los abordamos en Procesos de Soplado
“De forma general, los procesos de transformación de los polímeros son los que participan en la conversión de los gránulos o polvos a productos de uso práctico. ”
Para la transformación de gránulos o polvos a productos terminados se requiere energía térmica y cinética (fricción y presión).
Todos los procesos de transformación observan tres fases:
1. Plastificación:
Es la parte del proceso por el cual el material pasa del estado sólido al estado plástico utilizando para ello energía calorífica.
La temperatura a la cual se funde el polímero se llama punto de fusión, y su desarrollo es diferente entre los polímeros amorfos y los cristalinos.
La plastificación ocurre dentro de un equipo llamado unidad de plastificación, la cual en general está formada por un cañón o cilindro con un tornillo interno encargado de la fricción y la presión.
Un buen proceso de plastificación se basa en la calidad de la masa fundida, la cual es fundamental para formar una pieza.
2. Formado:
Es la etapa del proceso en la cual la masa fundida pasa de la unidad de plastificación hacia el espacio geométrico definido por la herramienta de formación, la cual puede ser un molde o un dado dependiendo del proceso.
3. Solidificación:
Es la etapa del proceso en la cual la masa fundida y formada pierde energía calorífica por conducción a través de la herramienta, solidificándose como producto final.
Moldeo por Inyección
Antes de entrar en materia, permíteme una nota personal. El moldeo por inyección es mi especialidad — como he pasado más de 30 años dedicada a él, esta es la sección en la que me voy a extender todo lo posible, sin embargo, si estás interesado en este proceso, te recomiendo tomar nuestro curso de Moldeo por Inyección, además de que en el libro Polímeros Plásticos, hablo de este proceso con mayor detalle.
Si estás en la preparatoria o en la universidad, te lo voy a explicar como si estuvieras tomando una clase en tu escuela, paso a paso y a tu propio ritmo, con cada idea construyéndose sobre la anterior. Y si eres profesional y vienes a repasar los detalles, aquí encontrarás la profundidad que buscas. Así que acomódate — este es mi rincón favorito de todo este campo, y espero que se note.
El moldeo por inyección es un proceso de fabricación que produce piezas inyectando material fundido a alta presión dentro de un molde, que le da al polímero su forma final.
En esencia, los gránulos de resina se alimentan por una tolva hacia un cañón (cilindro) caliente, donde un tornillo interno los funde y plastifica mediante calor y fricción, para luego forzar la masa fundida a presión hacia las cavidades de un molde, donde se enfría y se solidifica con la forma de las cavidades.
Los moldes pueden ser de una sola cavidad o de múltiples cavidades. En los moldes de cavidades múltiples, cada cavidad debería ser idéntica para que el molde quede balanceado, aunque también los hay con varias geometrías que forman un juego completo en un solo ciclo. Por lo general se fabrican de aceros para herramienta, y los aceros inoxidables y el aluminio resultan adecuados para ciertas aplicaciones.
Dentro del cañón, el aumento de calor reduce la viscosidad de la resina y permite que el polímero fluya con la fuerza y el movimiento de la unidad de inyección, mientras que la fricción mecánica del tornillo aporta calor adicional y acorta el tiempo de calentamiento. El tornillo además homogeneiza la masa fundida, emparejando su viscosidad y su temperatura.
“El moldeo por inyección es un proceso de fabricación que produce piezas inyectando material fundido a alta presión dentro de un molde, que le da al polímero su forma final.”
Al girar el tornillo, el material fundido avanza y se acumula en la parte delantera del tornillo —pasando por una válvula check— en un volumen conocido como disparo. Un disparo es el volumen de material que se utiliza para llenar la cavidad del molde, compensar la contracción y proporcionar un colchón para transferir la presión desde el tornillo hacia la cavidad del molde. Cuando se ha reunido suficiente material, éste es forzado a alta presión y velocidad dentro de la cavidad para formar una pieza.
El colchón es de aproximadamente 10% del volumen total de disparo y permanece en el cañón al término del disparo para evitar que el tornillo pegue con el frente del cañón.
El proceso se divide en varias etapas:
1. Inyección (llenado): el tornillo avanza, inyectando el material fundido al molde a través de la boquilla del cañón.
2. Sostenimiento: una vez que el tornillo llega al frente, se mantiene estático en esa posición durante varios segundos, ejerciendo presión contra la resina en las cavidades del molde mientras ésta se enfría.
3. Enfriamiento: una vez que el punto de inyección de las cavidades ha solidificado, el tornillo puede retraerse. El enfriamiento se compone de dos partes: el tiempo de retracción del tornillo —también conocido como tiempo de carga, ya que el tornillo jala más material de la tolva para preparar el siguiente disparo— y un tiempo extra, también conocido como tiempo de seguridad, con el que el moldeador se asegura de que el material esté lo suficientemente sólido para abrir el molde.
4. Apertura de Molde
5. Expulsión: una vez que el molde se abre, las piezas son expulsadas por acción mecánica (expulsores) o por aire.
6. Cerrado del molde: en este momento el ciclo vuelve a comenzar con la inyección del material.
Debido al acomodo molecular que implica la solidificación de las resinas cristalinas, así como a su punto de fusión, los tiempos del ciclo de moldeo son diferentes para las resinas cristalinas y para las amorfas. Una diferencia muy característica es el tiempo de sostenimiento, durante el cual el tornillo se mantiene al frente ejerciendo presión sobre la cavidad hasta lograr, por un lado, que la resina alcance su acomodo molecular y, por otro, que el punto de inyección se enfríe.
En su mayoría, las resinas cristalinas requieren que el molde esté caliente para lograr este acomodo molecular. Por esta razón, las piezas con resinas cristalinas no pueden tener paredes muy gruesas; de otra forma habría mucha deformación, rechupe e inestabilidad dimensional.
En el caso de las resinas amorfas, para lograr la mayor transparencia es importante utilizar un molde más bien frío. Como el acomodo molecular es mínimo, las piezas con resinas amorfas pueden tener paredes gruesas.
En las siguientes figuras se puede ver el ciclo de moldeo para las resinas cristalinas y para las amorfas.
En el caso de las resinas termoestables o termofijas, típicamente se inyectan en el cañón dos componentes químicos diferentes. Estos componentes comienzan de inmediato reacciones químicas irreversibles que eventualmente reticulan el material en una única red conectada de moléculas. Conforme avanza la reacción química, los dos componentes fluidos se transforman de forma permanente en un sólido viscoelástico.
La solidificación dentro del cañón y del tornillo de inyección puede ser problemática y con repercusiones financieras; por lo tanto, minimizar el curado del termoestable dentro del cilindro es vital. Esto normalmente significa que el tiempo de residencia y la temperatura de los precursores químicos se minimizan en la unidad de inyección. El tiempo de residencia se puede reducir utilizando un cañón pequeño y maximizando los tiempos de ciclo. Estos factores han llevado al uso de una unidad de inyección refrigerada y aislada que inyecta los químicos que reaccionan dentro de un molde caliente y térmicamente aislado, lo que aumenta la velocidad de las reacciones químicas y resulta en un tiempo más corto para lograr un componente termoestable sólido. Después de que la pieza se ha solidificado, las válvulas se cierran para aislar el sistema de inyección y los precursores químicos, y el molde se abre para expulsar las piezas moldeadas. Luego, el molde se cierra y el proceso se repite.
“Debido al acomodo molecular que implica la solidificación de las resinas cristalinas, así como a su punto de fusión, los tiempos del ciclo de moldeo son diferentes para las resinas cristalinas y para las amorfas.”
El Molde de Inyección
El molde es la herramienta fundamental en el moldeo por inyección; es donde el plástico entra fundido a la cavidad con la forma que tomará una vez que se enfríe. Se conforma de una serie de elementos importantes, como la cavidad, la colada (canal de plástico que se forma al llenar la cavidad de la pieza), los pines expulsores de las piezas y el bebedero (parte de plástico que se forma posterior a la nariz de la unidad de inyección, a la entrada del molde), así como partes de sujeción y de expulsión. Aquí un diagrama:
Co-Inyección y Bi-Inyección
Estos dos procesos de moldeo implican la inyección de dos o tres materiales diferentes en el mismo molde. En la co-inyección, los materiales se inyectan utilizando el mismo punto de inyección; mientras que en la bi-inyección se inyectan dos materiales en puntos de inyección separados que tienen controles de proceso independientes.
Co-Inyección
El moldeo por co-inyección es un proceso en el que dos o más polímeros diferentes se laminan juntos mediante moldeo por inyección. Estos polímeros pueden ser idénticos salvo por el color o la dureza, o pueden ser de diferentes tipos. Cuando se utilizan polímeros diferentes, deben ser compatibles (capaces de soldarse) y fundir aproximadamente a la misma temperatura.
El término co-inyección puede denotar diferentes procesos, como la formación de un sándwich, la inyección de doble tiro, la inyección de múltiples tiros o la formación de espuma estructural. Cualquiera que sea su nombre, el resultado es una estructura en capas, tipo sándwich, que combina las diferentes propiedades de cada material. Comúnmente, el material externo es sólido, mientras que el interno es espumado. Sin embargo, es posible cualquier combinación de material externo e interno, espumado o no. Para piezas de pared gruesa, el tiempo de enfriamiento puede reducirse sustancialmente corriendo el material exterior a mayor temperatura para lograr una superficie lisa, y el material interno —que esencialmente determina el tiempo de ciclo— a una temperatura inferior.
El moldeo por co-inyección puede utilizar 1, 2 o 3 canales. En el sistema de un solo canal, los plásticos fundidos se inyectan secuencialmente en el molde cambiando la válvula. Debido a las características de flujo de la masa fundida y a la tendencia del material exterior a adherirse a una superficie más fría del molde, se forma una piel sólida y densa. El espesor de la piel puede controlarse variando la velocidad de inyección, la temperatura de fusión y la compatibilidad de flujo de los materiales.
En el sistema de 2 canales es posible la inyección secuencial o simultánea del material externo y el interno. Esto permite controlar el espesor del material exterior, especialmente en los puntos de inyección en ambos lados de la pieza. En este tipo de moldeo conviene perfilar el llenado de la cavidad; perfilar la velocidad de inyección permite un mayor control del aspecto de la superficie.
El sistema de 3 canales permite la inyección simultánea con un punto de inyección directo en el bebedero. El espesor del material exterior puede influirse en ambos lados de la pieza. Con este sistema, el material interno espumado avanza más hacia el final del canal de flujo que con las técnicas de 1 y 2 canales. La pieza puede diseñarse para ser más ligera.
Bi-Inyección
La bi-inyección es la variante más sencilla del moldeo por inyección de dos componentes desde el punto de vista de la máquina y el molde: la cavidad se llena simultáneamente con los dos componentes distintos, que provienen de dos puntos de inyección diferentes. La problemática de esta técnica es que, al inyectar dos componentes distintos, la línea de soldadura que se forma donde se encuentran queda un poco descontrolada.
La posición de la línea entre los colores puede definirse ajustando las velocidades de inyección.
Sobremoldeo
Es el moldeo por inyección en el que un material se inyecta sobre una pieza o inserto del mismo material u otro.
El moldeo en 2 pasos es un tipo de sobremoldeo en el que el inserto está hecho del mismo material. La segunda inyección puede cubrir todo el inserto o sólo un par de superficies seleccionadas.
El sobremoldeo puede realizarse en la misma máquina con un carrusel giratorio, o en una segunda máquina.
Dos procesos de moldeo por inyección dominan la fabricación de productos sobremoldeados: el sobremoldeo de inserto y el moldeo multi-disparo.
El proceso más utilizado es el sobremoldeo de inserto, en el que un inserto previamente moldeado se coloca en un molde y se inyecta una resina directamente sobre él. Para los moldeadores, la ventaja del sobremoldeo de inserto es que pueden usarse máquinas convencionales, y los costos de herramental asociados son menores que en el moldeo multi-disparo. El moldeo multi-disparo (también llamado moldeo múltiple o de dos disparos) requiere una máquina de moldeo especial o adaptada con dos o más cañones, lo que permite inyectar dos o más materiales en el mismo molde durante el mismo ciclo. El moldeador puede elegir el moldeo multi-disparo para reducir tiempos de ciclo y lograr mayor calidad a la vez que reduce costos de producción.
En el sobremoldeo de inserto, el inserto o preforma debe colocarse en el molde de forma manual o mediante un robot antes de cada disparo.
El sobremoldeo permite producir una buena variedad de productos, incluyendo ensambles en el mismo molde. Muchas veces se utiliza para ofrecer un acabado suave al tacto («soft-touch») sobre una carcasa rígida. Ejemplos de estas aplicaciones son herramientas, cepillos, electrodomésticos, plumas, etcétera.
Moldeo por Compresión
El moldeo por compresión es un proceso de formado de piezas en el que el polímero, en polvo, gránulos o pasta, se introduce en un molde abierto y caliente, al que luego se le aplica presión para que el material adopte la forma del molde y reticule con el calor.
El molde se cierra aplicando fuerza por la parte de arriba; se aplica presión para forzar al material a estar en contacto con todas las áreas del molde, mientras el calor y la presión se mantienen hasta que la resina se ha curado (reticulado).
Aunque el moldeo por compresión puede utilizarse tanto para resinas termofijas como termoplásticas, hoy en día casi todas las aplicaciones son con resinas termofijas, y para algunos compuestos avanzados con resinas termoplásticas. En este último caso, el material no reticula, sino que adopta una forma fija gracias a la orientación de las cadenas moleculares durante la compresión.
En algunos casos, la reticulación de los termofijos puede acelerarse añadiendo un catalizador o agente reticulante.
“El moldeo en 2 pasos es un tipo de sobremoldeo en el que el inserto está hecho del mismo material. La segunda inyección puede cubrir todo el inserto o sólo un par de superficies seleccionadas.”
El proceso emplea resinas termofijas en un estado parcialmente curado, ya sea en forma de gránulos, pastas o preformas.
La ventaja del moldeo por compresión es su capacidad para moldear piezas grandes con diseños complejos. También es uno de los métodos de moldeo de más bajo costo en comparación con otros como el moldeo por transferencia y el moldeo por inyección.
Además, desperdicia relativamente poco material, lo que le da una ventaja cuando se trabaja con compuestos costosos. Sin embargo, el moldeo por compresión a menudo ofrece una consistencia de producto deficiente y dificultad para controlar la rebaba (flash), y no es adecuado para ciertos tipos de piezas.
El moldeo por compresión también es adecuado para la producción masiva de piezas básicas en tamaños mayores a los de extrusión. Los materiales más utilizados en moldeo por compresión son: sistemas de poliéster con fibra de vidrio, Torlon, Vespel, polifenilsulfona (PPS) y poliéter-éter cetonas (PEEK).
Moldeo Rotacional
El Moldeo Rotacional o Rotomoldeo es un proceso para resinas termoplásticas que se utiliza para producir partes huecas. Consiste en un molde hueco y caliente que se llena con una carga o peso de material en polvo o líquido, que luego se hace girar lentamente (por lo general en torno a dos ejes perpendiculares) dentro de un horno, haciendo que el material reblandecido se disperse y se adhiera a las paredes del molde.
Para mantener un espesor uniforme en toda la pieza, el molde continúa girando en todo momento durante la fase de calentamiento y, para evitar que se hunda o deforme, también gira durante la fase de enfriamiento. El proceso es lento y está restringido a un número reducido de plásticos.
En resumen, el moldeo rotacional consta de 4 pasos:
- Llenado del molde
- Calentamiento del molde durante su rotación
- Enfriamiento del molde durante su rotación (solidificación de la resina)
- Remoción de la pieza del molde
Otra forma de rotomoldeo es el rotocurado; la diferencia radica en que este último utiliza resinas de autocurado en un molde sin calentar, pero comparte con el moldeo rotacional las velocidades de giro lentas.
