ESCUELA POLITCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

DISEO, SIMULACIN Y CONSTRUCCIN DE UNA MATRIZ

PARA INYECCIN DE CUBIERTOS DE POLIPROPILENO

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TTULO DE INGENIERO

MECNICO

ADRIN JEFFERSON FLORES NARVEZ

adrian.montufar@hotmail.com

DANILO JAVIER MARTNEZ GUASHPA

underground_epn@hotmail.com

DIRECTOR: ING. RODRIGO LIZARDO RUIZ ORTIZ

rodrigo.ruiz@epn.edu.ec

QUITO, MARZO DEL 2015

I

DECLARACIN

Nosotros, Adrin Jefferson Flores Narvez y Danilo Javier Martnez Guashpa,

declaramos bajo juramento que el trabajo aqu descrito es de nuestra autora,

que no ha sido previamente presentado para ningn grado o calificacin

profesional; y, que he consultado las referencias bibliogrficas que se incluyen

en este documento.

A travs de la presente declaracin cedemos nuestros derechos de propiedad

intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politcnica Nacional,

segn lo establecido por la ley de propiedad intelectual, por su reglamento y

por la normativa institucional vigente.

Adrin Jefferson Flores Narvez Danilo Javier Martnez Guashpa

II

CERTIFICACIN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Adrin Jefferson Flores

Narvez y Danilo Javier Martnez Guashpa, bajo mi supervisin.

Ing. Rodrigo Lizardo Ruiz Ortiz

DIRECTOR DEL PROYECTO

III

AGRADECIMIENTO

A mi madre, Anita Lucia, que con su infinito amor, sabidura, honestidad y

sacrificio ha logrado formar a sus hijos como hombres y mujeres de bien.

A mi padre, Juanito, ejemplo de hombre humilde y trabajador que lucha

incasablemente por sacar adelante a su familia.

A mi hermana Emily, por ser la alegra de nuestro hogar y motivacin para

superarme y brindarle un buen ejemplo.

A mi segunda madre, Amparito, por su inmenso amor y cuidados cuando ms

lo necesit.

A mi novia, Caty, por todo su amor y compresin.

A mis amigos, Danilo y Luis, por siempre compartirme sus conocimientos de

una manera desinteresada.

A mis amigos, Angel, Jorge y Diego, cmplices de mis ms grandes aventuras.

Al Ing. Rodrigo Ruz por ser ese maestro que inspira y motiva a superarte cada

da.

ADRIN

IV

AGRADECIMIENTO

Gracias en primer lugar a Dios, por estar conmigo en cada paso que doy.

A mi querido hijo Justin, por ser mi alegra e inspiracin para seguir adelante.

A mis padres, Patricio y Nely, quienes con su esfuerzo, sacrificio y paciencia

me apoyan siempre y no dejan de creer en m.

A mi esposa Gissela, por el amor y paciencia que siempre me ha demostrado.

A mi hermano Andrs, por ser mi gran amigo y consejero.

A mis amigos Luis y Adrin, por su apoyo durante nuestra etapa universitaria.

A mis tas, tos y dems familiares que de una u otra forma contribuyeron para

cumplir esta meta.

Agradezco al Ing. Rodrigo Ruiz, por ser nuestro tutor y permitirnos llevar a cabo

este proyecto.

DANILO

V

DEDICATORIA

Con mucho amor

A mis padres, por ser mi apoyo incondicional y fuente de inspiracin para ser

un hombre de bien.

A mi hermana Emily, a mi novia Caty, que esta meta alcanzada sea motivacin

para que cumplan todos sus sueos.

A mi familia por siempre creer en m.

ADRIN

VI

DEDICATORIA

Con amor

A Dios, por darme salud y vida para culminar esta etapa.

El presente proyecto va dedicado a mi adorado hijo Justin, mi gran bendicin

que con su ternura e inocencia me motivan a seguir superndome.

A mi papi Patricio, por estar siempre con nosotros y darnos lo que

necesitbamos.

A mi mami Nely, por sus incansables cuidados y consejos.

A mi amada esposa Gissela, a quien eleg como compaera por el resto de mi

vida.

A mi hermano Andrs, porque juntos crecimos y aprendimos a vivir, siendo

amigos incondicionales.

DANILO

VII

CONTENIDO

DECLARACIN .................................................................................................. I

CERTIFICACIN ............................................................................................... II

AGRADECIMIENTO .......................................................................................... III

DEDICATORIA ................................................................................................... V

...................................................................................................... 1 CAPTULO 1

FUNDAMENTOS TERICOS ............................................................................ 1

1.1 POLMEROS ................................................................................................ 1

1.2 CLASIFICACIN DE LOS POLMEROS ..................................................... 1

1.2.1 POLMEROS NATURALES ................................................................... 1

1.2.2 POLMEROS ARTIFICIALES ................................................................ 1

1.2.3 POLMEROS SINTTICOS ................................................................... 1

1.3 CLASIFICACIN DE LOS POLMEROS SEGN SU COMPORTAMIENTO

TRMICO .................................................................................................... 2

1.3.1 ELASTMEROS ................................................................................... 2

1.3.2 TERMOESTABLES ............................................................................... 2

1.3.3 TERMOPLSTICOS .............................................................................. 3

1.4 POLIPROPILENO ........................................................................................ 3

1.5 MTODOS PARA EL MOLDEO DEL POLIPROPILENO ............................. 5

1.5.1 MOLDEO POR SOPLADO .................................................................... 5

1.5.2 TERMOFORMADO ................................................................................ 5

1.5.3 MOLDEO POR EXTRUSIN ................................................................. 6

1.5.4 MOLDEO POR INYECCIN .................................................................. 7

1.6 DESCRIPCIN DEL PROCESO DE INYECCIN ....................................... 7

1.6.1 TEMPERATURA DE TRANSICION VITREA ......................................... 8

1.6.2 CICLO DE TRABAJO ............................................................................ 9

VIII

1.7 MQUINAS INYECTORAS ........................................................................ 10

1.7.1 UNIDAD DE CIERRE ........................................................................... 11

1.7.2 UNIDAD DE INYECCIN .................................................................... 11

1.7.3 UNIDAD DE POTENCIA ...................................................................... 12

1.7.4 UNIDAD DE CONTROL ....................................................................... 14

1.8 PARMETROS DE SELECCIN DE UNA INYECTORA .......................... 14

1.9 MOLDES PARA INYECCIN DE PLSTICOS.......................................... 15

1.9.1 CICLO DE TRABAJO DEL MOLDE ..................................................... 16

1.9.2 CLASIFICACIN DE LOS MOLDES ................................................... 17

1.9.2.1 MOLDE DE 2 PLACAS ................................................................. 19

1.9.2.2 MOLDE DE 3 PLACAS ................................................................. 20

1.9.2.3 MOLDES DE CANALES CALIENTES ........................................... 20

1.9.2.4 MOLDE DE CANALES AISLADOS ............................................... 21

1.9.2.5 MOLDES CON ELEMENTOS DESLIZANTES .............................. 22

1.10 CLASIFICACIN DE COLADAS Y ENTRADAS ...................................... 23

1.10.1 SISTEMAS DE COLADA FRA .......................................................... 23

1.10.2 COLADA CNICA ............................................................................. 23

1.10.3 COLADA DE PARAGUAS ................................................................. 24

1.10.4 COLADA DE DISCO .......................................................................... 24

1.10.5 ENTRADA LAMINAR O DE CINTA ................................................... 25

1.10.6 ENTRADA DE TNEL O SUBMARINA ............................................. 26

1.10.7 ENTRADA PUNTIFORME ................................................................. 26

1.10.8 SISTEMAS DE COLADA CALIENTE ................................................. 27

1.11 DESMOLDEO .......................................................................................... 28

1.11.1 ACCIONAMIENTO DE LAS PLACAS EXPULSORAS....................... 28

1.11.2 TIPOS DE DESMOLDEO .................................................................. 29

IX

1.12 MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIN DE MOLDES ...................... 31

1.12.1 ACEROS DE CEMENTACIN .......................................................... 32

1.12.1.1 TEMPLE DIRECTO ..................................................................... 33

1.12.1.2 TEMPLE SIMPLE ........................................................................ 33

1.12.1.3 TEMPLE DOBLE ......................................................................... 33

1.12.2 ACEROS DE TEMPLE TOTAL .......................................................... 34

1.12.3 ACEROS BONIFICADOS .................................................................. 35

1.12.4 ACEROS RESISTENTES A LA CORROSIN .................................. 35

1.12.5 ACEROS PARA NITRURACIN ....................................................... 36

1.12.6 ACEROS DE SEGUNDA FUSIN ..................................................... 37

1.13 MECANIZADO DE MOLDES PARA INYECCIN DE PLSTICOS ......... 37

1.13.1 MECANIZADO CON ARRANQUE DE VIRUTA ................................. 37

1.13.2 ESTAMPADO, TROQUELADO Y EMBUTIDO .................................. 39

1.13.3 EROSIN ELCTRICA, ELECTROEROSIN .................................. 40

.................................................................................................... 41 CAPITULO 2

SIMULACIN ................................................................................................... 41

2.1 SELECCIN DE PIEZAS A SER INYECTADAS ....................................... 41

2.2 PARMETROS DE LAS PIEZAS A INYECTAR ........................................ 43

2.2.1 PUNTO DE FIJACIN ......................................................................... 43

2.2.2 TIPO DE CARGA ................................................................................. 43

2.2.3 ANLISIS DE RIGIDEZ ....................................................................... 43

2.2.4 OPCIN 1: CUCHARA SENCILLA ...................................................... 44

2.2.5 OPCIN 2: CUCHARA CON DOS NERVIOS RIGIDIZADORES ........ 45

2.2.6 OPCIN 3: CUCHARA CON NERVIOS RIGIDIZADORES CRUZADOS

............................................................................................................. 46

2.3 SELECCIN DE LOS MODELOS DE LOS CUBIERTOS .......................... 47

X

2.4 SIMULACIN DEL PROCESO DE INYECCIN ....................................... 50

2.4.1 PRIMERA OPCIN: MOLDE CON CUATRO ENTRADAS DE

ALIMENTACIN EN HILERA .............................................................. 53

2.4.2 SEGUNDA OPCIN: MOLDE CON CUATRO ENTRADAS DE

ALIMENTACIN EN ESTRELLA......................................................... 54

2.4.3 TERCERA OPCIN: MOLDE CON DOS ENTRADAS DE

ALIMENTACIN .................................................................................. 55

2.4.4 CUARTA OPCIN: MOLDE CON UNA ENTRADA DE ALIMENTACIN

............................................................................................................. 56

2.4.5 CONFIANZA DE LLENADO ................................................................ 57

2.4.6 TIEMPO DE LLENADO ....................................................................... 58

2.4.7 PRESIN DE INYECCIN .................................................................. 58

2.4.8 TEMPERATURA DEL FRENTE DE FLUJO ........................................ 59

2.4.9 RECHUPES ......................................................................................... 60

2.4.10 LNEAS DE SOLDADURA ................................................................. 60

2.4.11 ATRAPAMIENTOS DE AIRE ............................................................. 61

2.4.12 CALIDAD DE REFRIGERACIN....................................................... 62

2.4.13 VARIACIN DEL TIEMPO DE REFRIGERACIN ............................ 62

.................................................................................................... 63 CAPTULO 3

CONSTRUCCIN DE LA MATRIZ .................................................................. 63

3.1 DISEO Y DIMENSIONAMIENTO DEL MOLDE ....................................... 63

3.1.1 CONSIDERACIONES INICIALES ....................................................... 63

3.1.2 DISPOSICIN DE LAS PIEZAS A INYECTAR Y DEL SISTEMA DE

ALIMENTACIN .................................................................................. 66

3.1.3 BOSQUEJO DE LA ESTRUCTURA DE LA MATRIZ ........................... 67

3.1.4 DETERMINACIN DE LA FUERZA DE CIERRE ................................ 68

XI

3.1.5 TIPO DE MATERIAL A INYECTAR ..................................................... 68

3.1.6 SUPERFICIE DE LA PIEZA PROYECTADA (CAVIDADES Y CANALES

DE DISTRIBUCIN) ............................................................................ 69

3.1.7 LONGITUD DE RECORRIDO DEL FLUJO ......................................... 69

3.1.8 ESPESOR DE PARED MEDIO ........................................................... 70

3.1.9 PRESIN ESPECFICA EN LA CAVIDAD DEL MOLDE ..................... 70

3.1.10 CLCULO DE LA FUERZA DE CIERRE ........................................... 72

3.2 DIMENSIONAMIENTO ............................................................................... 74

3.2.1 ESPECIFICACIONES TCNICAS DE LA INYECTORA MILACRON

MTH 55 ................................................................................................ 74

3.2.2 CANALES DE DISTRIBUCIN ........................................................... 76

3.2.3 CANALES DE ESTRANGULAMIENTO O ENTRADAS ....................... 77

3.2.4 SALIDA DE AIRE ................................................................................. 79

3.2.5 BEBEDERO ......................................................................................... 79

3.2.6 PLACA DE SUJECIN FIJA ................................................................ 81

3.2.7 PLACA CAVIDAD FIJA Y MVIL ........................................................ 83

3.2.8 REGLETAS O PARALELAS ................................................................ 85

3.2.9 PLACA DE SUJECIN MVIL ............................................................ 86

3.2.10 EXPULSORES O BOTADORES ....................................................... 88

3.2.10.1 LONGITUD DE PANDEO ............................................................ 88

3.2.11 CONJUNTO EXPULSOR .................................................................. 91

3.2.12 SISTEMA DE EXPULSIN ................................................................ 93

3.2.13 ANILLO CENTRADOR ...................................................................... 93

3.2.14 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO ......................................................... 94

3.2.15 SISTEMAS DE GUIADO .................................................................... 98

3.2.15.1 GUAS DE LA MATRIZ ............................................................... 98

XII

3.2.15.2 GUAS DE EXPULSIN .............................................................. 99

3.2.16 MATRIZ COMPLETA ....................................................................... 101

3.2.17 LISTA DE MATERIALES ................................................................. 102

3.3 HOJAS DE PROCESOS .......................................................................... 103

3.4 SIMULACIN DE MAQUINADO DE PLACAS CAVIDADES ................... 129

3.5 MECANIZADO CNC DE LAS PLACAS CAVIDADES .............................. 132

3.5.1 PLACA CAVIDAD FIJA ...................................................................... 132

3.5.2 PLACA CAVIDAD MVIL .................................................................. 133

3.6 MONTAJE DE LA MATRIZ....................................................................... 134

.................................................................................................. 138 CAPTULO 4

PRUEBAS Y ANLISIS DE RESULTADOS .................................................. 138

4.1 MONTAJE DE LA MATRIZ EN LA MQUINA INYECTORA .................... 138

4.1.1 RESULTADOS DEL MONTAJE DE LA MATRIZ ............................... 142

4.2 ENSAYO 1: PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO EN VACO DE LA MATRIZ

................................................................................................................. 143

4.2.1 RESULTADOS DEL ENSAYO 1 ........................................................ 145

4.3 ENSAYO 2: PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DURANTE LA INYECCIN

................................................................................................................. 147

4.3.1 RESULTADOS DE ENSAYO 2, PRUEBA 1 ...................................... 148

4.3.2 RESULTADOS DE ENSAYO 2, PRUEBA 2: ..................................... 149

4.3.3 RESULTADOS DE ENSAYO 2, PRUEBA 3: ..................................... 150

4.4 ANLISIS DE RESULTADOS .................................................................. 152

4.4.1 VERIFICACIN DE CIERRE (PRESENCIA DE REBABAS) ............. 152

4.4.2 VERIFICACIN DE DIMENSIONES ................................................. 153

4.4.3 VERIFICACIN DE ASPECTO ......................................................... 154

4.5 COSTOS .................................................................................................. 156

XIII

4.5.1 COSTOS DE MATERIA PRIMA ........................................................ 156

4.5.2 COSTOS DE ELEMENTOS NORMALIZADOS ................................. 157

4.5.3 COSTOS DE MANO DE OBRA ......................................................... 158

4.5.4 COSTOS DE TRATAMIENTOS TRMICOS ..................................... 159

FUENTE: Propia ......................................................................................... 159

4.5.5 COSTO DE DISEO ......................................................................... 159

4.5.6 COSTO TOTAL DEL PROYECTO .................................................... 160

.................................................................................................. 161 CAPTULO 5

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................. 161

5.1 CONCLUSIONES ..................................................................................... 161

5.2 RECOMENDACIONES ............................................................................ 162

ANEXOS ........................................................................................................ 166

ANEXO A ........................................................................................................... A

HOJAS TCNICAS DE MATERIALES UTILIZADOS ......................................... A

ANEXO B ........................................................................................................... B

ELEMENTOS NORMALIZADOS........................................................................ B

ANEXO C ........................................................................................................... C

TABLAS DE AJUSTES ...................................................................................... C

ANEXO D ........................................................................................................... D

DIAGRAMA DE GANTT DE LA CONSTRUCCIN DE LA MATRIZ .................. D

ANEXO E ........................................................................................................... E

PLANOS DE CONJUNTO Y TALLER ................................................................ E

XIV

CONTENIDO DE TABLAS

Tabla 1.1 - Proceso de esmerilado y pulido ..................................................... 38

Tabla 2.1 - Criterios de evaluacin ................................................................ 47

Tabla 2.2 - Criterio: Facilidad de mecanizado ............................................... 47

Tabla 2.3 - Criterio: Rigidez de los cubiertos ................................................. 48

Tabla 2.4 - Criterio: Costo de mecanizado .................................................... 48

Tabla 2.5 - Criterio: Apariencia de cubiertos.................................................. 48

Tabla 2.6 - Conclusiones ............................................................................... 49

Tabla 3.1 - Contraccin de diferentes materiales ............................................. 64

Tabla 3.2 - Partes de la matriz ......................................................................... 68

Tabla 3.3 - Especificaciones tcnicas de inyectora Milacron MTH55 .............. 74

Tabla 3.4 - Dimetros de canales recomendados para sistemas de colada fra

......................................................................................................................... 77

Tabla 3.5 - Parmetros de tratamiento trmico del acero plata ....................... 88

Tabla 3.6 - Parmetros de tratamiento trmico del Acero V155 ...................... 91

Tabla 3.7 - Parmetros de tratamiento trmico del Acero V155. ..................... 98

Tabla 3.8 - Parmetros de tratamiento trmico del Acero V155 .................... 100

Tabla 3.9 - Placas para construccin de matriz ............................................. 102

Tabla 3.10 - Ejes para construccin de matriz ............................................... 102

Tabla 3.11 - Elementos normalizados para construccin de matriz ............... 103

Tabla 4.1 Actividades de montaje ............................................................... 141

XV

Tabla 4.2 - Actividades de ensayo 1 .............................................................. 145

Tabla 4.3 - Actividades de ensayo 2 .............................................................. 148

Tabla 4.4 - Verificacin de dimensiones principales ...................................... 154

Tabla 4.5 - Verificacin de aspecto del cubierto ............................................ 155

Tabla 4. 6 - Costos de placas ........................................................................ 156

Tabla 4.7 - Costo de ejes ............................................................................... 156

Tabla 4.8 - Costo de materia prima ................................................................ 157

Tabla 4.9 - Costos de elementos normalizados ............................................. 157

Tabla 4.10 - Costos de mecanizado .............................................................. 158

Tabla 4.11 - Costos de tratamientos trmicos................................................ 159

Tabla 4.12 - Costo de diseo ......................................................................... 159

Tabla 4. 13 - Costo total de proyecto ............................................................. 160

XVI

CONTENIDO DE FIGURAS

Figura 1.1 Elastmeros................................................................................... 2

Figura 1.2 Termoestables ............................................................................... 3

Figura 1.3 Termoplsticos .............................................................................. 3

Figura 1.4 - Polipropileno .................................................................................. 3

Figura 1.5 - Moldeo por soplado ........................................................................ 5

Figura 1.6 - Termoformado ................................................................................ 6

Figura 1.7 - Moldeo por extrusin ...................................................................... 6

Figura 1.8 - Moldeo por inyeccin ..................................................................... 7

Figura 1.9 Curvas de transicin vtrea A. Polmero Amorfo B. Polmero

Semicristalino C. Polmero Cristalino ................................................................. 8

Figura 1.10 - Mquina inyectora ...................................................................... 10

Figura 1.11 - Fase de inyeccin22 .................................................................... 16

Figura 1.12 - Fase de compresin ................................................................... 17

Figura 1.13 - Fase de extraccion ..................................................................... 17

Figura 1.14 - Molde de dos placas .................................................................. 19

Figura 1.15 - Molde de 3 placas ...................................................................... 20

Figura 1.16 - Molde de canal caliente .............................................................. 21

Figura 1.17 - Molde de canales aislados ......................................................... 22

Figura 1.18 - Molde con elementos deslizantes28 ............................................ 22

Figura 1.19 - Colada cnica............................................................................. 24

Figura 1.20 - Colada de paraguas ................................................................... 24

Figura 1.21 - Colada de disco .......................................................................... 25

Figura 1.22 - Entrada laminar o de cinta31 ...................................................... 25

XVII

Figura 1.23 - Entrada de tnel o submarina .................................................... 26

Figura 1.24 - Entrada puntiforme ..................................................................... 27

Figura 1.25 - Tipos de desmoldeo ................................................................... 29

Figura 1.26 - Expulsin por presin en direccin de desmoldeo ..................... 29

Figura 1.27 - Expulsin por presin en la excntrica de desmoldeo36 ............. 30

Figura 1.28 - Expulsin por traccin en la direccin de desmoldeo ................. 30

Figura 1.29 - Expulsin por traccin perpendicular a la direccin de

desmoldeo37 ..................................................................................................... 31

Figura 1.30 - Tipos de temple .......................................................................... 34

Figura 1.31 - Mecanizado por arranque de viruta ............................................ 37

Figura 1.32 - Troquelado ................................................................................. 39

Figura 1.33 Electroerosin ............................................................................ 40

Figura 2.1 - Modelos de cubiertos a) Cuchara, b) Cuchillo, c) Tenedor, d)

Cuchara, e) Tenedor, ....................................................................................... 41

Figura 2.2 - Forma bsica de cuchara ............................................................. 42

Figura 2.3 - Sujecin de una cuchara .............................................................. 43

Figura 2.4 - Cuchara sencilla ........................................................................... 44

Figura 2.5 - Anlisis de rigidez de la cuchara sencilla realizado en Solidworks

......................................................................................................................... 44

Figura 2.6 - Cuchara con dos nervios rigidizadores ........................................ 45

Figura 2.7 - Anlisis de rigidez de la cuchara con dos rigidizadores ............... 45

Figura 2.8 - Cuchara con rigidizadores en X y mayor profundidad .................. 46

Figura 2.9 - Anlisis de rigidez de la cuchara con nervios en forma de x ........ 46

Figura 2.10 - Renderizado de cuchara ............................................................ 49

Figura 2. 11 - Renderizado de cuchillo ............................................................ 49

XVIII

Figura 2. 12 - Renderizado de tenedor ............................................................ 50

Figura 2.13 - Renderizado de cucharita .......................................................... 50

Figura 2.14 - Molde con cuatro entradas de alimentacin en hilera ................ 53

Figura 2.15 - Molde con cuatro entradas de alimentacin en estrella ............. 54

Figura 2.16 - Molde con dos entradas de alimentacin ................................... 55

Figura 2.17 - Molde con una entrada de alimentacin ..................................... 56

Figura 2.18 - Simulacin confianza de llenado ................................................ 57

Figura 2.19 - Simulacin de tiempo de llenado................................................ 58

Figura 2.20 - Simulacin de presin de inyeccin ........................................... 58

Figura 2.21 - Resultado de temperatura del frente de flujo ............................. 59

Figura 2.22 - Resultados de anlisis de rechupes ........................................... 60

Figura 2.23 - Lnea de soldadura en la boca de la cuchara ............................. 60

Figura 2.24 - Lnea de soldadura en canal de alimentacin ............................ 61

Figura 2.25 - Resultado de atrapamiento de aire en el canal de alimentacin 61

Figura 2.26 - Resultado de la calidad de refrigeracin .................................... 62

Figura 2.27 - Resultado de la variacin del tiempo de refrigeracin ................ 62

Figura 3.1 - Pulido de la cavidad ..................................................................... 65

Figura 3.2 - Superficie de particin de la cuchara ........................................... 66

Figura 3.3 - Superficie de particin del tenedor ............................................... 66

Figura 3.4 - Configuracin de distribuidores de hileras. A, canal excntrico; B,

canal central con vas de flujo prolongadas .................................................... 67

Figura 3. 5- Bosquejo de la matriz55 ................................................................ 67

Figura 3.6 - rea proyectada de las piezas a inyectar y canales de distribucin

......................................................................................................................... 69

Figura 3.7 - Longitud del bebedero .................................................................. 69

XIX

Figura 3.8 - Longitud de recorrido de flujo ....................................................... 70

Figura 3.9 - Diagrama de Longitud de recorrido Espesor de pared Presin

especfica ......................................................................................................... 71

Figura 3.10 - Diagrama Superficie Proyectada Presin especfica- Fuerza de

cierre ................................................................................................................ 73

Figura 3.11 - Mquina inyectora Milacron MTH 55 .......................................... 75

Figura 3.12 - Secciones de canales ............................................................... 76

Figura 3.13 - Canal de estrangulamiento rectangular ...................................... 77

Figura 3.14 - Salida de aire ............................................................................. 79

Figura 3.15 Bebedero ................................................................................... 79

Figura 3.16 - Bebedero cnico ........................................................................ 81

Figura 3.17 - Placa de sujecin fija .................................................................. 82

Figura 3.18 - Anlisis de esfuerzos de la placa sujecin fija............................ 82

Figura 3.19 - Bujes guas y pernos de sujecin ............................................... 83

Figura 3.20 - Placa cavidad fija ....................................................................... 84

Figura 3.21 - Placa cavidad mvil .................................................................... 84

Figura 3.22 Paralelas ................................................................................... 85

Figura 3.23 - Carrera de expulsin .................................................................. 85

Figura 3.24 - Placa de sujecin mvil .............................................................. 86

Figura 3.25 - Anlisis de esfuerzos de la placa de sujecin mvil ................... 87

Figura 3.26 - Bujes centradores de la placa sujecin mvil y las paralelas ..... 87

Figura 3.27 - Expulsor de vstago cilndrico con cabeza cilndrica ................. 90

Figura 3.28 - Longitud de los expulsores ......................................................... 90

Figura 3.29 - Elementos del conjunto expulsor................................................ 92

Figura 3.30 - Conjunto expulsor ...................................................................... 92

Figura 3.31 - Sistema de expulsin ................................................................. 93

XX

Figura 3.32 - Anillo centrador .......................................................................... 93

Figura 3.33 - Disposicin de los canales de enfriamiento74 ............................. 94

Figura 3.34 - Distribucin de los canales de enfriamiento ............................... 95

Figura 3.35 - Zonas de temperatura en la pieza inyectada, en la etapa de

desmoldeo. ....................................................................................................... 96

Figura 3.36 - Nomograma para determinar el tiempo de enfriamiento ............ 97

Figura 3.37 - Columna y buje gua .................................................................. 99

Figura 3.38 - Guas de expulsin ................................................................... 100

Figura 3.39 - Matriz de cubiertos ................................................................... 101

Figura 3.40 - Parte fija de la matriz ................................................................ 101

Figura 3.41 - Parte mvil de la matriz ............................................................ 101

Figura 3.42 - Seleccin de la herramienta para mecanizar ........................... 129

Figura 3.43 - Verificacin de trayectorias ...................................................... 129

Figura 3.44 - Simulacin del recorrido de la herramienta .............................. 130

Figura 3.45 - Generacin de cdigos de trayectorias .................................... 130

Figura 3.46 - Programa generado archivo de texto ....................................... 131

Figura 3.47 Simulacin y envi del programa en cdigos G en el software

CIMCO ........................................................................................................... 131

Figura 3.48 - Placa cavidad fija rectificada .................................................... 132

Figura 3.49 - Mecanizado de cavidad fija ...................................................... 132

Figura 3.50 - Placa cavidad fija finalizada ..................................................... 132

Figura 3.51 - Mecanizado de placa cavidad mvil ......................................... 133

Figura 3.52 - Placa cavidad erosionada y pulida ........................................... 133

Figura 3.53 - Montaje de placa sujecin mvil, paralelas y distanciadores. .. 134

Figura 3.54 - Montaje del conjunto expulsor sobre la parte fija de la matriz .. 135

Figura 3.55 - Montaje columnas guas .......................................................... 135

XXI

Figura 3.56 - Parte mvil completa ................................................................ 136

Figura 3.57 - Bujes guas y cavidad fija ......................................................... 136

Figura 3.58 - Montaje total de la matriz ......................................................... 137

Figura 3.59 - Montaje total de la matriz ......................................................... 137

Figura 4.1 Matriz con cncamo para izaje .................................................. 139

Figura 4.2 Colocacin de la matriz en los platos de la inyectora ................ 140

Figura 4.3 Registro de anillo centrador en inyectora .................................. 140

Figura 4.4 Sujecin de la matriz ................................................................. 141

Figura 4.5 Izaje de la matriz utilizando el cncamo .................................... 142

Figura 4.6 Izaje de la matriz utilizando faja................................................. 142

Figura 4.7 Matriz asegurada con bridas ..................................................... 143

Figura 4.8 - Matriz de cubiertos cerrada ........................................................ 144

Figura 4.9 - Matriz de cubiertos abierta ......................................................... 144

Figura 4.10 Verificacin de correcta apertura de la matriz ......................... 145

Figura 4.11 Verificacin de correcto cierre de la matriz .............................. 146

Figura 4.12 Panel de control de inyectora Milacron MTH55 ....................... 146

Figura 4.13 Parmetros de inyeccin ......................................................... 147

Figura 4. 14 - Cubiertos inyectados resultado de la primera prueba ............. 149

Figura 4.15 - Fuga de material por la superficie de cierre ............................. 149

Figura 4.16 - Problemas de expulsin (cubiertos atrapados) ........................ 150

Figura 4.17 - Retencin de cubiertos en la zona de la cuchara ..................... 150

Figura 4.18 - Prueba de molde con sistema de refrigeracin ........................ 151

Figura 4.19 - Inyeccin correcta de los cubiertos .......................................... 151

Figura 4.20 - Producto terminado .................................................................. 152

Figura 4.21 - Resultado de cubierto inyectado .............................................. 152

XXII

Figura 4.22 - Medicin del tenedor con calibrador digital .............................. 153

Figura 4. 23 - Medicin de la cuchara con calibrador digital .......................... 153

Figura 4.24 - Medicin del cuchillo con calibrador digital ............................... 153

Figura 4.25 - Medicin de la cucharita con calibrador digital ......................... 154

Figura 4.26 - Vista superior del cubierto ........................................................ 155

Figura 4.27 - Vista inferior del cubierto .......................................................... 155

XXIII

RESUMEN

En el presente proyecto se estudia el proceso de inyeccin de los polmeros en

especial de los termoplsticos de los cuales se elige el polipropileno como

material a inyectar, teniendo en cuenta sus principales caractersticas y

reuniendo informacin sobre las fases de inyeccin y tipos de matrices

existentes se procede al diseo de la matriz.

La construccin de una matriz para la inyeccin de cubiertos, parte de la

simulacin de llenado de las cavidades para elegir la mejor disposicin que se

ajuste a las dimensiones de la mquina existente en el Laboratorio de Nuevos

Materiales, posteriormente en base a el anlisis se dimensiona los elementos

de la matriz y construirla usando los materiales ms adecuados que estn

disponibles en la ciudad y aplicando el tratamiento trmico apropiado para los

elementos que sufrirn desgaste.

Realizada una revisin final del modelo 3D de la matriz se contina con la

elaboracin de planos y hojas de procesos necesarios para el maquinado de

los diferentes elementos. Adems, se ha utilizado un software CAM que ayuda

con el mecanizado de las cavidades que son las placas ms importantes dentro

de la matriz ya que son las encargadas de alojar el material inyectado.

Las pruebas realizadas con la matriz arrojan como resultado un cubierto que

cumple con un buen aspecto y con las dimensiones inicialmente establecidas.

La matriz se constituye en elemento importante para realizar prcticas de

inyeccin y que los estudiantes conozcan y se involucren ms en el tema que

hasta ahora viene siendo un mito dentro de la facultad.

XXIV

ABSTRACT

This Project studies the polymers injection process, especially thermoplastics

such as polypropylene, considering its main features and gathering information

about injection phases and types of existing matrix.

The building of the matrix starts from the simulation of filling the cavities to

choose the best layout according the dimensions of the machine from new

materials laboratory, then define the dimensions of the matrix and build using

the most suitable materials that are available in the city and applying the

appropriate heat treatment to the elements that suffer wear.

After review the 3D model of the matrix continue the develop of the plans and

worksheets necessary for machining the different elements, addition using a

CAM software that helps with the machining of the cavities that are the most

important plates, which are responsible for receiving the injected material.

The tests with the matrix results elements that have a good look and initially

established dimensions.

The device obtained is an important element for injection practices and the

students can be more involved in this topic that does not have enough

information the university.

XXV

INTRODUCCIN

En el rea de la matricera existe un campo poco estudiado en la Facultad de

Ingeniera Mecnica pero que en la actualidad est cobrando gran importancia

en la industria como lo es la inyeccin de termoplsticos.

El presente proyecto tiene como objetivo el diseo, simulacin y construccin

de una matriz de inyeccin de cubiertos y as poder dotar de una herramienta al

Laboratorio de Nuevos Materiales que ayude a los estudiantes a poner en

prctica los conocimientos obtenidos en el tema.

En el diseo y construccin de la matriz se incluye la aplicacin de diferentes

software CAD (PowerSHAPE), CAM (SolidCAM) y CAE (Autodesk Moldflow

Adviser) que combinados ayudan a predecir posibles defectos y analizar

diferentes parmetros obtenidos en cuanto a simulacin.

El primer captulo muestra informacin sobre los diferentes tipos de polmeros,

sus caractersticas y propiedades haciendo nfasis en el polipropileno, adems

se presenta una descripcin del proceso de inyeccin y sus diferentes fases de

ciclo, tambin se incluye una clasificacin de los tipos de matrices o moldes,

clasificacin de coladas, entradas y los materiales usados para la construccin

de matrices.

En el captulo dos se presenta un anlisis de simulacin de rigidez de

diferentes modelos de cubierto y su posterior seleccin, as tambin se

muestran cuatro opciones de distribucin de las piezas para la inyeccin.

Luego se encuentra un anlisis de cada parmetro obtenido en la simulacin

de la disposicin seleccionada.

En el captulo tres se establece el dimensionamiento de la matriz donde se

determinan dimensiones, materiales y tratamientos trmicos para cada

elemento, tambin estn las hojas de procesos necesarias para el mecanizado

y un breve ejemplo de mecanizado CNC de las placas cavidades aplicando un

software CAM. Finalmente se presenta el proceso de ensamble de la matriz.

XXVI

El captulo cuatro es donde se establece un protocolo de pruebas para ensayar

la matriz en vaco y con carga, tambin se muestra un anlisis de los

resultados obtenidos y un anlisis de costos del proyecto.

Finalmente en el captulo cinco estn las conclusiones y recomendaciones que

se obtienen de este proyecto.

1

1.1 POLMEROS

Los polmeros son macromolculas formadas por miles de molculas ms

pequeas llamadas monmeros a travs de una reaccin conocida como

polimerizacin, durante esta reaccin los monmeros forman grandes cadenas

de formas y propiedades muy diversas. Existe una infinidad de tipos de

polmeros cada uno con caractersticas diferentes1.

1.2 CLASIFICACIN DE LOS POLMEROS

1.2.1 POLMEROS NATURALES

Son aquellos polmeros que vienen directamente del reino animal y vegetal, es

decir no se necesita la intervencin del ser humano para que estos se formen

tales como el caucho natural y los cidos nucleicos2.

1.2.2 POLMEROS ARTIFICIALES

Estos polmeros son producto de una modificacin mediante procesos qumicos

a polmeros naturales, por ejemplo la nitrocelulosa.

1.2.3 POLMEROS SINTTICOS

Los polmeros sintticos son aquellos que han sido obtenidos de manera

artificial, es decir que han sido creados por el ser humano mediante procesos

qumicos como la polimerizacin, por ejemplo el nylon, polietileno,

polipropileno, etc3.

Esta ltima clasificacin de los polmeros es la que contiene los materiales que

comnmente son utilizados en la industria de los plsticos para fabricar un sin

nmero de artculos. Existe una gran variedad de polmeros sintticos, cada

uno con propiedades y caractersticas completamente diferentes, es por eso

1 JUAN ROBLEDO ROSAS, (2010), Modelo piloto para inyeccin de plsticos, Morelia Michoacn,Pg. 7,82 RAMIREZ, LOPEZ, (2009), Manufactura de un molde de inyeccin de plstico para fabricar cabos de paleta de hielo utilizando la tecnologa CNC, Pg. 173 http://www.textoscientificos.com/polimeros/sinteticos

CAPTULO 1

FUNDAMENTOS TERICOS

2

que se puede obtener desde objetos tan livianos como una funda plstica,

hasta piezas automotrices sumamente complejas capaces de resistir grandes

impactos y liberar gran cantidad de energa cuando se rompen.

1.3 CLASIFICACIN DE LOS POLMEROS SEGN SU COMPORTAMIENTO TRMICO

1.3.1 ELASTMEROS

Este tipo de polmeros se caracteriza por poseer una gran zona elstica ya que

pueden deformarse fcilmente sin modificar su estructura y forma inicial, una

caracterstica esencial de este tipo de polmeros es que no se lo puede fundir

con el aumento de la temperatura ya que antes de fundirse el material pasa

directamente al estado gaseoso, por ejemplo el neopreno4.

Figura 1.1 Elastmeros4

1.3.2 TERMOESTABLES

Son aquellos polmeros unidos mediante enlaces qumicos, este tipo de

enlaces hace que la estructura polimrica tenga la forma de una red, es decir

sea muy entrecruzada, el tipo de enlace y la estructura polimrica son los

responsables de que este material tenga una alta resistencia mecnica y una

baja elasticidad.

Se caracterizan por que al aumentar su temperatura no fluyen, es decir no se

los puede manipular para que tomen la forma de un molde determinado, por el

contrario al aumentar su temperatura estos se descomponen por ejemplo las

resinas fenlicas4.

4 http://www.losadhesivos.com

3

Figura 1.2 Termoestables5

1.3.3 TERMOPLSTICOS

Estos materiales se encuentran formados por polmeros unidos por fuerzas de

Van der Waals, su estructura polimrica es larga y presenta pocos

entrecruzamientos, al aumentar su temperatura es capaz de alcanzar un

estado casi lquido, lo que le permite fluir y poder ser moldeado utilizando

presin, una vez que la temperatura ha disminuido vuelve a endurecerse por

ejemplo el polipropileno5.

Figura 1.3 Termoplsticos5

1.4 POLIPROPILENO

Figura 1.4 - Polipropileno

5 http://www.losadhesivos.com

4

Es un polmero termoplstico semicristalino que se obtiene de la polimerizacin

del propileno, este material es uno de los ms verstiles de nuestro medio ya

que posee caractersticas tales como:

Bajo costo

Es un producto inerte

Apto para el reciclaje

Bajo peso especifico

Su incineracin no produce contaminantes

Evita el paso del vapor

Fcil de procesarlo

Resistente a la abrasin

Buena resistencia al calor

Buenas propiedades de resistencia y esttica

Su produccin es la de menor impacto ambiental en comparacin con

sus similares6

Por todas las caractersticas antes mencionadas y principalmente por la gran

relacin costo beneficio este material est siendo utilizado ampliamente en la

industria en la ltima dcada, ya que se puede fabricar productos como:

Tuberas

Recipientes

Autopartes

Muebles

Juguetes

Fibras

Fundas

Paales

Ropa

Tanques

6 GUTIRREZ DANIEL, OATE CRISTIAN,(2006),Sistema de inyeccin con colada caliente aplicado en la industria del plstico como herramienta de competitividad, Pachuca, Pgs. 18,19

5

1.5 MTODOS PARA EL MOLDEO DEL POLIPROPILENO

El aumento del uso de este polmero en la industria ha permitido que se

desarrollen algunas formas de procesarlo para poder obtener un sin nmero de

productos, dentro de los ms importantes se tienen.

1.5.1 MOLDEO POR SOPLADO

Se utiliza un tubo de polipropileno fundido y es soplado dentro de un molde,

donde este toma la forma de la cavidad, se utiliza para la fabricacin de

botellas, frascos, envases y en general cualquier recipiente hueco7.

Figura 1.5 - Moldeo por soplado7

1.5.2 TERMOFORMADO

Para este proceso se parte de una lmina de polipropileno la cual se coloca en

un molde que tiene dos partes (macho y hembra), se procede a calentar la

lmina para que pueda alcanzar cierto grado de plasticidad y se aplica presin

en el molde para cerrarlo y que la lmina obtenga la forma deseada, adicional

se puede aplicar una succin para crear vaco y que la lmina adopte formas

complejas del molde, se utiliza para la fabricacin de recipientes para

alimentos, golosinas y en general recipientes que sern utilizados para

microondas8.

7 http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2012/03/extrusion-soplado.html 8 http://q-2.es/index.php/blog-de-noticias-khudos/que-es-termoformado.html

6

Figura 1.6 - Termoformado9

1.5.3 MOLDEO POR EXTRUSIN

Este mtodo consiste en hacer pasar el polipropileno a travs de un dado de

extrusin el cual tiene la forma deseada, luego se enfriara rpidamente para

que no pierda la forma adquirida, mediante este mtodo se puede obtener

perfiles, lminas y tubos10.

Figura 1.7 - Moldeo por extrusin10

9 http://q-2.es/index.php/blog-de-noticias-khudos/que-es-termoformado.html 10 http://www.textoscientificos.com/polimeros/moldeado

7

1.5.4 MOLDEO POR INYECCIN

Este proceso consiste en el calentamiento del polipropileno hasta que alcance

una temperatura que este dentro del rango de la transicin vtrea, para que

luego aplicando presin este pueda llenar un molde previamente fabricado con

la forma deseada, dicho molde tendr un sistema de enfriamiento que le

permitir enfriarse a la pieza y mantener la nueva forma adquirida, este

proceso es uno de los ms utilizados en la industria ya que en teora se puede

obtener cualquier pieza que pueda ser reproducida en un molde, dentro de los

productos obtenidos por este mtodo se encuentran juguetes, autopartes,

frascos, tapas, muebles, partes de electrodomsticos11.

Figura 1.8 - Moldeo por inyeccin11

1.6 DESCRIPCIN DEL PROCESO DE INYECCIN

Es un proceso en el cual se lleva a cabo la completa transformacin fsica del

polmero utilizado para obtener las formas deseadas a travs de un molde de

precisin, el proceso es llevado a cabo con la ayuda de una mquina inyectora

de caractersticas universales, es decir que con la misma mquina se puede

realizar una infinidad de productos, siempre y cuando los moldes utilizados

mantengan ciertos parmetros y se ajusten a las caractersticas de la inyectora.

11 http://www.textoscientificos.com/polimeros/moldeado

8

1.6.1 TEMPERATURA DE TRANSICION VITREA

Es importante recordar que las propiedades mecnicas de los polmeros

dependen de los cambios de temperatura, la temperatura de transicin vtrea

no implica un cambio de estado del polmero, pero si marca el inicio de un

rango de temperatura en la cual el slido completamente rgido cambia sus

propiedades y puede ser ms blando, flexible y maleable, estas nuevas

caractersticas que adquiere el polmero son fundamentales para que se pueda

producir la inyeccin del material, el rango de temperatura en el cual el

polmero presenta las propiedades idneas para que pueda ser utilizado en la

inyeccin est delimitado por la temperatura de transicin vtrea [Tg] y la

temperatura de fusin [Tm].

Para determinar la temperatura de transicin vtrea y temperatura de fusin del

polmero es necesario hacer una relacin entre el volumen especfico y la

temperatura, estos dos parmetros determinarn una curva independiente para

cada tipo de polmero12.

Figura 1.9 Curvas de transicin vtrea A. Polmero Amorfo B. Polmero Semicristalino C. Polmero Cristalino13

12 WILLIAM D. CALLISTER, (1996),Introduccin a la ciencia e ingeniera de los materiales Vol 2, Pgs. 497,498,499 13 http://profguillermojcentenob.blogspot.com/2011/05/morfologia-de-los-polimeros.html

9

1.6.2 CICLO DE TRABAJO

Una de las mejores ventajas del proceso de inyeccin es su alta productividad

ya que si se cuenta con un buen diseo de molde y un buen equipo de

inyeccin se puede obtener un ciclo de trabajo bastante corto y obtener una

gran produccin, a continuacin se describe un ciclo de trabajo ideal de un

proceso de inyeccin.

1. Plastificacin y homogeneizacin.- En este primer paso se alimenta la

tolva de la inyectora con el polmero seleccionado para la inyeccin el

cual generalmente se lo adquiere en forma de pequeas esferas

tambin conocidas como pellet, a continuacin la mquina inyectora

genera calor por medio de resistencias elctricas ubicadas alrededor del

cilindro, el material comenzar el proceso de plastificacin y al mismo

tiempo un tornillo girar constantemente para homogeneizar toda la

mezcla de material fundido.

2. Inyeccin.- Con el constante giro del tornillo sin fin el material

plastificado avanza hacia la parte delantera del husillo donde se

encuentra la boquilla de inyeccin, esta accin genera una presin que

hace retroceder un cilindro hidrulico y el husillo, dejando un volumen de

material plastificado listo para ser inyectado, a esta parte se la conoce

como dosificacin del cilindro, posteriormente un cilindro hidrulico

accionara la parte mvil de la inyectora haciendo que el molde quede

cerrado completamente a esta parte se la conoce como unidad de cierre,

a continuacin se acciona el cilindro hidrulico que haba sido retrado

durante la dosificacin y se inyecta el material en el molde.

3. Enfriamiento.- Una vez que el material ha sido inyectado en la boquilla

de inyeccin debe mantenerse por un tiempo determinado ya que el

polmero presentar contracciones durante su enfriamiento, para el

enfriamiento de las piezas se puede disear diferentes sistemas, al ser

esta la operacin que ms tiempo demanda, el diseo del enfriamiento

ser parte importante para poder incrementar la productividad del

proceso, las piezas deben ser enfriadas hasta que alcancen una

10

temperatura que no les permita deformarse en las operaciones

posteriores.

4. Expulsin.- Esta es la ltima parte del ciclo de trabajo y consiste en

expulsar las piezas inyectadas, una vez que las piezas han adquirido

una temperatura con la cual ya no sufran contracciones o deformaciones

el molde se abrir y con la ayuda de la unidad de extraccin de la

inyectora se expulsar la pieza, y el molde volver a cerrarse para

reanudar en ciclo14.

1.7 MQUINAS INYECTORAS

La inyectora es parte fundamental del sistema ya que en ella se produce todo

el proceso de transformacin del polmero, la mayora de inyectoras son del

tipo universal, es decir que en la misma inyectora se puede montar diferentes

tipos de moldes siempre y cuando su diseo se rija a los parmetros de la

inyectora. Las mquinas inyectoras poseen cuatro unidades principales las

cuales son se pueden observar en la Figura 1.10.

Figura 1.10 - Mquina inyectora15 14 MENGES, MOHREN, (1983), "Molde para inyeccin de plstico", Ed. Gustavo Gili, Mxico. Pgs. 43,44 15 MIKELL P. GROOVER, Fundamentos de Manufactura Moderna: Materiales Procesos y Sistemas,

Mexico, Pag. 330

11

1.7.1 UNIDAD DE CIERRE

La unidad de cierre es la parte de la inyectora donde se monta el molde de

precisin, esta unidad est formada bsicamente por dos placas portamoldes,

en la una placa se sujeta la parte fija del molde y en la otra la parte mvil, el

sistema que accionar la parte mvil del molde permitir que este se abra y se

cierre para poder cumplir el ciclo de trabajo, el diseo de este sistema depende

del modelo de la mquina pero puede ser utilizando un tornillo sin fin, cilindros

olehidrulicos o tambin motores elctricos. Esta unidad es la que posee los

parmetros a tomar en cuenta para el diseo de las matrices que se utilizarn

en la inyectora, dimensiones como la de los platos portamoldes, distancia entre

barras, distancia mxima de apertura, carrera de expulsin, distancia mnima

entre placas son fundamentales al momento de realizar el dimensionamiento

de la matriz, ya que de lo contrario no se podr realizar un correcto montaje de

la misma16.

1.7.2 UNIDAD DE INYECCIN

La unidad de inyeccin est formada por:

1. Tolva de alimentacin.- Por medio de esta tolva la unidad de inyeccin

se alimenta de polmero en forma de pellet para poder plastificarlo y

realizar el proceso de inyeccin.

2. Tornillo sin fin.- Una vez que los pellet de polmero han pasado de la

tolva de alimentacin pasan a tener contacto con el tornillo el cual se

encuentra girando constantemente para poder homogeneizar la mezcla,

el giro del tornillo tambin produce friccin entre las pequeas esferas

del polmero lo incrementa su temperatura y de esta manera ayuda a

que el proceso de plastificacin dure menos tiempo, a ms del

movimiento giratorio del tornillo este tambin tiene un movimiento

rectilneo, ya que una vez que se ha producido la dosificacin el tornillo

16 ANDINO DANIEL, PAUCAR MAYRA, (2009), Diseo, modelacin, simulacin y construccin de molde para tapas de cilindros de gas de uso domstico por inyeccin plstica, Riobamba, Pgs. 7,8,9,10

12

ejercer una presin en la boquilla con la ayuda de un cilindro

hidrulico16.

3. Barril.- Este elemento es un cilindro hueco en cuyo interior se encuentra

el tornillo sin fin, cumple la funcin de alojar las resistencia elctricas que

plastificarn el polmero, los pellet se encuentran en contacto directo con

las paredes del barril por lo que la transferencia de calor que se produce

es por conduccin, se debe tener en cuenta que la transferencia de calor

del polmero es muy inferior a la del metal, por lo que una pequea capa

del polmero que se encuentra en contacto con la pared del barril es la

que se plastificar, sin embargo la accin mezcladora del tornillo y la

friccin que este provoca har que el polmero se plastifique de manera

homognea.

4. Boquilla.- Esta es el ltimo elemento del sistema de inyeccin, la

boquilla de inyeccin tiene contacto con la placa del molde y por esta

saldr el polmero plastificado con la presin necesaria para que pueda

llenar completamente el molde, al ser el orificio de la boquilla de menor

dimetro que el del barril esta tambin provoca una presin adicional a

la ejercida por el cilindro hidrulico.

1.7.3 UNIDAD DE POTENCIA

La unidad de potencia es la que suministra toda la energa para el

funcionamiento del sistema, la unidad de potencia en general puede ser de

dos tipos: elctrica e hidrulica, la seleccin de cualquiera de estas dos

alternativas depender del uso que se le vaya a dar a la inyectora puesto

que cada una tiene sus ventajas17.

1. Unidad de potencia elctrica.- Se utiliza unidades de potencia

elctricas en mquinas relativamente pequeas, ya que los motores

elctricos necesarios para realizar las operaciones tambin son

pequeos, sin embargo a pesar de su pequeo tamao pueden

proporcionar un gran torque de arranque, as que se debe tener 17 MAYA ORTEGA ENRIQUE, (2007),Diseo de moldes de inyeccin de plstico con ingeniera concurrente, Mxico D.F., Pgs. 6,7,8,

13

sumo cuidado con los elementos accionados con este tipo de

motores ya que pueden torcerse o romperse. Las operaciones que se

pueden efectuar con los motores elctricos son el giro del tornillo y el

cierre del molde, el movimiento rectilneo del tornillo para la inyeccin

del material debe ser realizado exclusivamente por un cilindro

hidrulico. Una de las desventajas del uso de motores elctricos es

que la velocidad de giro de los mismos viene dada solo para ciertos

valores, lo que le quita un poco flexibilidad al sistema.

2. Unidad de potencia hidrulica.- Las unidades de potencia

hidrulicas son las ms utilizadas en las mquinas inyectoras, esto

se debe a que presentan ms ventajas y beneficios que los sistemas

elctricos entre los cuales destacan18.

La transmisin de potencia se la hace de forma casi directa,

ya que la energa hidrulica producida por el fluido de trabajo

es transformada en energa mecnica por el cilindro, mientras

que en los sistemas elctricos se necesita obligatoriamente de

la ayuda de sistemas mecnicos como reductores de

velocidad, bielas, manivelas y dems elementos para poder

controlar la unidad de cierre y el giro del tornillo.

Los sistemas hidrulicos son capaces de generar gran

cantidad de energa lo que permite trabajar con grandes

presiones y velocidades, adems la variacin de estas es

mucho ms fcil ya que se lo hace manipulando el flujo del

fluido de trabajo, lo que permite tener un sistema ms estable

desde el arranque.

El fluido de trabajo ms comn es el aceite, el cual da muy

buenas propiedades lubricantes, sellantes y refrigerantes al

sistema permitiendo que trabaje con grandes cargas sin

presentar inconvenientes18.

18 ANDINO Daniel, PAUCAR Mayra, (2009), Diseo, modelacin, simulacin y construccin de molde para tapas de cilindros de gas de uso domstico por inyeccin plstica, Riobamba, Pgs. 7,8,9,10

14

1.7.4 UNIDAD DE CONTROL

Para poder controlar el sistema se utilizan bsicamente dos tipos de

controladores:

PLC.- Tambin conocido como controlador lgico programable, este tipo

de controlador nos permite programar un ciclo de trabajo el cual se

repetir de manera cclica las veces que sea necesario, posee grandes

ventajas ya que puede recibir seales de emergencia por sobrepresin o

mal funcionamiento de las unidades de cierre, en este caso suspender

de inmediato el ciclo de trabajo haciendo el sistema ms seguro.

PID.- Tambin conocido como proporcional integral derivativo, es un

mecanismo de control que posee una realimentacin continua que

permite calcular el error entre un valor medio y el valor que se quiere

obtener, este tipo de controladores son los ms adecuados para

controlar la temperatura ya que poseen una rpida velocidad de

respuesta19.

1.8 PARMETROS DE SELECCIN DE UNA INYECTORA

Como se haba mencionado anteriormente la inyectora es parte fundamental

del sistema, sin embargo sus parmetros son los que determinaran que tipos

de moldes pueden ser usados en la misma20.

1. Fuerza de cierre.- Se debe tener muy en cuenta la capacidad de la

fuerza de cierre de la inyectora ya que al ser inyectado el material en el

molde se producirn altas presiones que podran hacer abrir el molde

echando a perder la pieza, la unidad de medida ms comn son las

toneladas (Ton).

2. Capacidad de inyeccin.- Es el volumen mximo de material que la

mquina es capaz de dar en una inyectada, este parmetro es

19 MAYA ORTEGA ENRIQUE, (2007),Diseo de moldes de inyeccin de plstico con ingeniera concurrente, Mxico D.F., Pgs. 6,7,8, 20 Gutirrez Daniel, Oate Cristian,(2006),Sistema de inyeccin con colada caliente aplicado en la industria del plstico como herramienta de competitividad, Pachuca, Pgs. 4,5,6,7,8,9

15

fundamental en el diseo del molde ya que se obtendrn mejores

resultados si todo el volumen del molde es llenado en una sola

inyectada, la unidad de medida son centmetros cbicos por cada

inyeccin (cm3/inyeccin) o tambin puede venir dada en gramos por

inyeccin (g/inyeccin) tomando como referencia la densidad del

poliestireno.

3. Presin de inyeccin.- Es la presin mxima a la que se puede

inyectar el material hacia el molde, tambin es un parmetro importante

ya que de esto depende que la velocidad de llenado as como que el

material alcance las secciones ms pequeas de la pieza.

4. Capacidad de plastificacin.- Es la capacidad mxima de material que

puede suministrar el tornillo cuando plastifica el material, la unidad viene

dada en gramos (o mltiplos) por hora (g/h).

5. Velocidad de inyeccin.- Es la velocidad mxima con la que se puede

inyectar el material hacia el molde, es importante tener una buena

velocidad de inyeccin ya que de esto depender que el molde se llene

en su totalidad antes de que el polmero se haya solidificado, la unidad

viene dada en centmetros cbicos por segundo (cm3/seg).

1.9 MOLDES PARA INYECCIN DE PLSTICOS

El molde para la inyeccin de plsticos es muy similar a una matriz para

conformar chapa metlica, puesto que tienen casi los mismos elementos para

su funcionamiento, la nica diferencia es que los moldes para inyeccin deben

contar con un sistema de enfriamiento que les permita enfriar de manera ms

rpida las piezas inyectadas para que la productividad del sistema aumente.

El caso ms sencillo de un molde de este tipo tendra nicamente dos placas,

una llamada punzn, mbolo o estampa y otra llamada matriz, troquel o

16

cavidad, entre estas dos placas quedara un espacio vaco el cual ser llenado

con el polmero plastificado por medio de canales y bebederos21.

1.9.1 CICLO DE TRABAJO DEL MOLDE

El molde tiene un ciclo de trabajo que consta de 3 fases:

1. Fase de inyeccin.- Durante esta fase el material plastificado que se

encuentra ya dosificado en la punta del barril en inyectado por el tornillo a

travs de la boquilla, el material comenzar a llenar el molde paulatinamente

con el volumen necesario22.

Figura 1.11 - Fase de inyeccin22

2. Fase de compresin.- Durante esta fase el polmero plastificado ha llenado

por completo la cavidad del molde y es necesario aplicar una fuerza de

compresin sobre el molde ya que el polmero sufre contracciones durante el

proceso de plastificacin, durante este periodo de tiempo actuar el sistema de

refrigeracin que ayudar a solidificar ms rpido el polmero22.

21 MENGES, MOHREN, (1983), "Molde para inyeccin de plstico", Ed. Gustavo Gili, Mxico. Pgs. 43,44,45 22 MENGES, MOHREN, (1983), "Molde para inyeccin de plstico", Ed. Gustavo Gili, Mxico. Pgs. 43,44,45

17

Figura 1.12 - Fase de compresin23

3. Fase de expulsin o extraccin.- Una vez que la pieza se ha enfriado el

molde procede abrirse por el plano de particin o cierre, este movimiento de la

parte mvil del molde a su vez acciona el mecanismo de expulsin que

funciona con varillas previamente diseadas en el molde tambin conocidas

como botadores las cuales despegarn a la pieza terminada del punzn ya que

por los fenmenos de contraccin del polmero mencionados la pieza se

quedar pegada a este, el mecanismo de expulsin no regresar sino hasta

que el molde vuelva a cerrarse, durante este proceso el tornillo regresar y

dejar de aplicar presin sobre la boquilla23.

Figura 1.13 - Fase de extraccion23

1.9.2 CLASIFICACIN DE LOS MOLDES

Establecer una clasificacin especfica para todos los tipos de moldes de

inyeccin de plsticos existentes es complicado ya que cada uno ha sido

diseado segn la geometra que presenta la pieza a inyectarse, las 23 MENGES, MOHREN, (1983), "Molde para inyeccin de plstico", Ed. Gustavo Gili, Mxico. Pgina 44

18

soluciones empleadas para poder crear piezas de gran complejidad

geomtrica son muy diferentes e ingeniosas, sin embargo es posible

establecer una clasificacin mucho ms general observando patrones

que se repiten en ciertos tipos de moldes.

Segn la cantidad de cavidades que posean se los puede clasificar en:

Simples

Mltiples

La determinacin de la cantidad de cavidades que se puede construir en

un mismo molde depende del peso del material a inyectarse, la presin

de cierre disponible en la mquina inyectora y el rendimiento de la

plastificacin.

Otro patrn mediante el cual se puede establecer una clasificacin de los

moldes es el principio de desmoldeo. El diseo del molde debe permitir

que la pieza ya plastificada pueda ser expulsada de la manera ms fcil

y rpida del molde, adems de que no debe perder o ser estropeada la

geometra que ha obtenido, segn esto se tiene la siguiente clasificacin:

Moldes para piezas sin resaltes o contraperfiles.- Son los

moldes ms sencillos y bsicos que sirven para poder obtener

piezas con formas cbicas, fuentes, recipientes, etc.

Moldes para piezas con resaltes a contraperfiles exteriores.-

Estos moldes tienen un grado mayor de complejidad en el diseo

del desmoldeo, piezas como tornillos plsticos o tapones de

champagne son obtenidas con este tipo de moldes.

Moldes para artculos con resaltes interiores.- Mediante este

tipo de moldes se puede obtener piezas de gran complejidad

como son obturadores roscados para tubos, caperuzas roscadas.

La norma DIN E 16750 establece la siguiente clasificacin Moldes de

inyeccin para materiales plsticos

Molde estndar (molde de dos placas)

Molde de 3 placas

19

Molde de mordaza (molde de corredera)

Molde de extraccin por segmentos

Molde de pisos (molde sndwich)

Molde de canal caliente (inyeccin de termoplsticos)24

1.9.2.1 MOLDE DE 2 PLACAS

Este tipo de moldes es el diseo ms comn de todos, consiste bsicamente

en dos placas, las cavidades se montan en la placa que permanecer fija

durante la inyeccin mientras que la placa macho se monta en la parte mvil,

que tambin permitir el accionamiento del sistema de extraccin, en este tipo

de moldes se puede encontrar la boquilla de alimentacin situada exactamente

en la parte media del molde la cual alimentar directamente a la pieza en caso

de tener una sola cavidad o alimentar a un sistema de canales en caso de

que el molde contenga varias cavidades, el diseo bsico puede sufrir ciertas

modificaciones segn la necesidad25.

Figura 1.14 - Molde de dos placas25

24 GASTROW HANS, (1998), Moldes de inyeccin de plstico 1000 casos prcticos, Barcelona, Pg. 2 25 RAMIREZ, LOPEZ, (2009), Manufactura de un molde de inyeccin de plstico para fabricar cabos de paleta de hielo utilizando la tecnologa CNC, Pg. 47,48

20

1.9.2.2 MOLDE DE 3 PLACAS

Este tipo de moldes consta de 3 placas, la primera placa est unida a la parte

fija de la inyectora y contiene el bebedero y la mitad de los canales de

alimentacin de la pieza, la segunda placa, intermedia o flotante contiene la

cavidad que contendr la pieza y la otra mitad de los canales de alimentacin,

finalmente la tercera placa est sujeta a la parte mvil de la inyectora y es la

que contiene la parte macho o ncleos del molde, la ventaja de este tipo de

moldes es que al accionarse tanto la placa intermedia como la placa mvil o

macho se separan y permiten separar el bebedero y los canales de

alimentacin de la pieza.

Figura 1.15 - Molde de 3 placas26

1.9.2.3 MOLDES DE CANALES CALIENTES

Este tipo de moldes son utilizados para la inyeccin de grandes piezas o piezas

de gran complejidad, en este caso el material a ser inyectado se mantiene con

la viscosidad adecuada hasta la entrada misma de la cavidad lo que garantiza

un llenado completo y evita problemas de solidificacin antes de haber llenado

por completo el molde, en este tipo de moldes la placa mvil y la fija se separan

justo a la entrada de la cavidad logrando con esto tener la pieza independiente

26 RAMIREZ, LOPEZ, (2009), Manufactura de un molde de inyeccin de plstico para fabricar cabos de paleta de hielo utilizando la tecnologa CNC, Pg. 47,48

21

de los canales de alimentacin donde el material todava se encuentra blando y

maleable gracias a un sistema de resistencias elctricas colocadas a lo largo

de los canales, esta placa calefactora que contiene los canales y las

resistencias es conocida como manifold27.

Figura 1.16 - Molde de canal caliente27

1.9.2.4 MOLDE DE CANALES AISLADOS

Este tipo de moldes es muy similar al molde con canal caliente, en este caso se

utiliza un dimetro de canales de alimentacin de un dimetro mucho mayor al

dimetro de los canales anteriores ya que en las paredes de este canal estar

material solidificado que actuara como un aislante trmico para que por el

centro del canal pueda circular el material fundido, este tipo de moldes se

utiliza en moldes que posean ms de una cavidad y la entrada se encuentre en

la parte central del molde27.

27 RAMIREZ, LOPEZ, (2009), Manufactura de un molde de inyeccin de plstico para fabricar cabos de paleta de hielo utilizando la tecnologa cnc, Pgs. 47,48,49,50

22

Figura 1.17 - Molde de canales aislados28

1.9.2.5 MOLDES CON ELEMENTOS DESLIZANTES

No todas las piezas permiten tener una extraccin sencilla y fcil, existen

piezas cuya geometra y ngulos hacen necesario efectuar ciertas

modificaciones al molde para poder extraerlas sin daar su forma, este tipo de

modificacin pueden ser en cuanto al nmero de placas utilizadas, tipo de

cierre o mecanismo de extraccin, uno de los mecanismo ms utilizados para

resolver el problema de la extraccin este tipo de piezas es utilizando

elementos deslizantes como son correderas, levas o pistones que pueden ser

accionados de manera mecnica mediante la parte mvil del molde o con

sistemas complementarios neumticos o hidrulicos28.

Figura 1.18 - Molde con elementos deslizantes28

28 RAMIREZ, LOPEZ, (2009), Manufactura de un molde de inyeccin de plstico para fabricar cabos de paleta de hielo utilizando la tecnologa CNC, Pg. 50

23

1.10 CLASIFICACIN DE COLADAS Y ENTRADAS

El tipo de colada as como el diseo de las entradas o bebederos por los que

circulara el plstico son fundamentales para obtener una pieza de excelente

calidad y tambin el mejor rendimiento del sistema.

1.10.1 SISTEMAS DE COLADA FRA

Este sistema tambin conocido como canal frio quiere decir que no

existen medios de calentamiento adicionales a lo largo de los canales de

alimentacin, el nico medio de calentamiento disponible es el que

brinda la inyectora, para poder explicar este tipo de sistemas es

necesario definir ciertos trminos:

Colada.- Es un componente de la pieza inyectada, pero que no

forma parte de la pieza propiamente dicha.

Canal de colada.- El canal de colada se define desde el punto de

introduccin de la masa plastificada en el molde hasta la entrada.

Entrada.- Es la seccin del canal de colada en el punto donde se

une con la cavidad del molde.

El camino que debe recorrer el material hasta alcanzar la entrada debe

ser el ms corto posible para de esta manera minimizar las prdidas de

presin y temperatura, a continuacin se describe los tipos de coladas y

entradas fras ms comunes.

1.10.2 COLADA CNICA

Este tipo de colada se aplica para la fabricacin de piezas con espesores de

pared relativamente gruesos, y tambin para la transformacin de materiales

de elevada viscosidad en condiciones trmicamente desfavorables29.

29 HANS GASTROW, (1992), Moldes de inyeccin para plsticos, Ed. Barcelona activa, Espaa, Pg. 3,4

24

Figura 1.19 - Colada cnica30 1.10.3 COLADA DE PARAGUAS

Este tipo de colada es ideal para la fabricacin de piezas que exigen una alta

precisin de redondez como los cojinetes, con este tipo de colada se evita la

aparicin de lneas de unin, las desventajas que tiene este tipo de colada es el

apoyo unilateral del noyo central y el posterior mecanizado de la pieza para

eliminar la colada30.

Figura 1.20 - Colada de paraguas30

1.10.4 COLADA DE DISCO

Mediante este tipo de colada se unen preferentemente piezas cilndricas

internas sin dejar lneas de unin residuales, en el caso de las piezas que

sern reforzadas con fibras para mejorar las propiedades de la pieza este tipo

de colada disminuye la tendencia a la contraccin30.

30 HANS GASTROW, (1992), Moldes de inyeccin para plsticos, Ed. Barcelona activa, Espaa, Pg. 3,4,5,6

25

Figura 1.21 - Colada de disco31

1.10.5 ENTRADA LAMINAR O DE CINTA

Este tipo de entrada se utiliza para la fabricacin de piezas planas con un

mnimo de contracciones y tensiones, esto se debe a que la entrada tiene un

ancho igual al de la pieza lo que origina una distribucin ms homognea del

frente de la colada, una desventaja de este tipo de entrada es que se puede

producir un desgaste acelerado del molde y la formacin de una cascarilla ya

que la entrada no se encuentra en el centro de gravedad de la pieza31.

Figura 1.22 - Entrada laminar o de cinta31

31 HANS GASTROW, (1992), Moldes de inyeccin para plsticos, Ed. Barcelona activa, Espaa, Pg. 3,4,5,6

26

1.10.6 ENTRADA DE TNEL O SUBMARINA

Este tipo de entrada es adecuada para la inyeccin lateral de las piezas. Sin

tener los posibles problemas de obturacin precoz, esta entrada permite

secciones muy pequeas, y con ello se consigue tener marcas residuales

imperceptibles sobre la pieza, cuando se utiliza este tipo de entradas el diseo

de molde casi siempre incluye una arista de corte la cual separa a la entrada el

momento que el molde se abre32.

Figura 1.23 - Entrada de tnel o submarina32

1.10.7 ENTRADA PUNTIFORME

Este tipo de entrada en particular es utilizada cuando se quiere separar de

manera automtica la colada de la pieza, el espesor d por donde entra el

material en arrancado fcilmente ya que su seccin transversal es

relativamente inferior al resto de la pieza, cuando las piezas son fabricadas

32 HANS GASTROW, (1992), Moldes de inyeccin para plsticos, Ed. Barcelona activa, Espaa, Pg. 3,4,5,6

27

utilizando este tipo de entradas generalmente no requieren un maquinado

posterior para eliminar las posibles imperfecciones que deja la entrada.

Figura 1.24 - Entrada puntiforme33

1.10.8 SISTEMAS DE COLADA CALIENTE

Este tipo de sistemas tambin conocidos como canal caliente poseen mayor

complejidad, ya que se utiliza medios de calentamiento extras al de la

inyectora, el tener un canal caliente ayuda a obtener piezas de gran calidad ya

que presentan una menor prdida de presin con respecto a otros tipos de

sistemas, es por esto que es posible inyectar piezas extremadamente grandes

como parachoques y tableros de autos. El tener un canal caliente tambin

ayuda a aprovechar el volumen de inyeccin de la mquina y el tiempo de

llenado tambin disminuir por lo que los moldes de varios pisos deben utilizar

nicamente este tipo de sistema.

Sin embargo se debe tener en cuenta que su diseo, construccin, operacin y

mantenimiento son ms complejos, ya que se deben utilizar placas extras que

puedan alojar los medios adicionales de calentamiento y un sistema automtico

que pueda controlar los mismos, adems se debe tener cuidado de no formar

celdas galvnicas con el cobre presente en las resistencias elctricas33.

33 HANS GASTROW, (1992), Moldes de inyeccin para plsticos, Ed. Barcelona activa, Espaa, Pg. 3,4,5,6,7

28

1.11 DESMOLDEO

Una vez que la pieza se ha enfriado y solidificado es necesario extraerla del

molde, uno de los casos ideales seria disear el molde para que una vez

producida la inyeccin y el molde se abra la pieza pueda caer por gravedad, sin

embargo esto no podra suceder ya que la pieza queda retenida en el molde

por posibles resaltes, tensiones internas o fuerza de adherencia hacia el

macho, por lo que es necesario utilizar sistemas de expulsin, por lo general

todos los sistemas de expulsin son accionados de manera mecnica

aprovechando la cerrera propia del molde, sin embargo en piezas de gran

tamao y complejidad es posible que este sistema mecnico no sea suficiente

y se podra utilizar sistemas de accionamiento neumtico o hidrulico de

necesitarse grandes fuerzas, es de gran importancia para una buena eyeccin

que la pieza quede en la parte mvil del molde es decir la que contiene el

macho ya que es la nica que puede contener sistemas adicionales para su

expulsin, de igual manera se debe tener sumo cuidado con la ubicacin de los

expulsores ya que deben ir siempre en puntos estratgicos para que no puedan

daar la geometra ni la esttica de la pieza obtenida.

El sistema de eyeccin ms utilizado es con varillas expulsoras que separa la

pieza del macho o ncleo, el nmero de varillas a utilizarse deber ser el

suficiente para que no se produzcan deformaciones ni deterioros en la pieza,

las varillas expulsoras estn adheridas a una placa, la misma que ser

accionada por la carrera de apertura del molde haciendo que todas las varillas

acten al mismo tiempo34.

1.11.1 ACCIONAMIENTO DE LAS PLACAS EXPULSORAS

Las varillas expulsoras o eyectores deben ser accionadas por una placa auxiliar

conocida como placa expulsora, esta placa debe conseguir que las varillas

tengan un desplazamiento suficiente para lograr expulsar los elementos

inyectados y poder continuar con la siguiente inyeccin, puede tener diferentes

diseos como se muestra a continuacin:

34 MENGES, MOHREN, (1983), "Molde para inyeccin de plstico", Ed. Gustavo Gili, Mxico. Pg. 131,132,133

29

Figura 1.25 - Tipos de desmoldeo35

1.11.2 TIPOS DE DESMOLDEO

A. Por presin en la direccin de desmoldeo

En este mtodo la placa de expulsin hace tope contra un punto fijo de

la mquina inyectora haciendo que la placa se desplace durante la

apertura del molde.35

Figura 1.26 - Expulsin por presin en direccin de desmoldeo35

B. Por presin en la excntrica de desmoldeo.

Mediante este diseo la placa expulsora se desplaza por la fuerza que

ejerce la excntrica sobre su superficie plana, su funcionamiento es

idntico al de una leva con su seguidor, este mtodo no es muy utilizado

35 MENGES, MOHREN, (1983), "Molde