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03/06/2019 | 6 MINUTOS DE LECTURA

El trabajo más importante de un procesador, parte 9

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Cómo establecer las condiciones de moldeo que minimicen el esfuerzo interno en una pieza

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En la columna anterior, comentamos la conexión fundamental entre las variaciones en la condición del polímero en diversas localizaciones en una pieza moldeada y el nivel de esfuerzo interno en esa pieza. Estas variaciones están influenciadas en gran medida por las condiciones de procesamiento. Las diferencias de presión dentro de la cavidad del molde producen variaciones en la forma que el material se contrae. Se trata de una fuente de esfuerzo interno.

La otra consideración son las diferencias en la velocidad a la que el polímero se enfría. El conocimiento de estos factores permite a un procesador establecer las condiciones de moldeo que reducen el esfuerzo interno en una pieza. No es posible moldear una pieza con un estrés interno cero.

Incluso bajo las mejores circunstancias, una pieza bien moldeada todavía tendrá un nivel de esfuerzo de 500-600 psi. Pero las prácticas deficientes de moldeo pueden producir niveles de esfuerzo que sobrepasan los 3.000 psi. Esto dará como resultado una menor resistencia al impacto, inestabilidad dimensional sobre la exposición a temperaturas elevadas y una mayor sensibilidad a los mecanismos de falla, tales como agrietamiento por esfuerzo ambiental (ESC). El objetivo debe ser minimizar el esfuerzo interno sin que la pieza deje de ser rentable.

Llenado y empaque del molde

Las fases de llenado y empaque del molde tienen una influencia significativa en la distribución de presión en la cavidad. La caída de presión en un sistema polimérico que fluye es proporcional a la viscosidad del material. La viscosidad está influenciada por dos condiciones de tratamiento: la temperatura de fusión y la velocidad de cizalla aplicada al material. Las altas tasas de cizalla dan como resultado viscosidades más bajas y con frecuencia pueden alcanzar este objetivo como una alternativa a elevar las temperaturas de fusión.

Por esta razón, los principios del moldeo científico determinan que la mayor parte de la cavidad debe llenarse a un ritmo relativamente rápido durante lo que normalmente se refiere como la primera etapa. El cambio al empaque, o segunda fase, debería tener lugar cuando la cavidad está casi completa por volumen. La velocidad del polímero durante la segunda etapa es generalmente mucho más lenta que en la primera etapa, y esto producirá una viscosidad mucho más alta.

Para algunos polímeros, la viscosidad en la segunda etapa puede ser más de 10 veces mayor que en la primera etapa. Por lo tanto, hacer el cambio demasiado pronto significa que sea más difícil presurizar el polímero uniformemente. Y hacer el cambio demasiado tarde resultará en una condición de sobrepresión que puede causar rebabas e incluso puede dañar el molde.

La relación entre la estrategia de llenado del molde y la distribución de presión a través de la cavidad puede demostrarse fácilmente si la cavidad contiene los transductores de presión al principio y al final de la trayectoria del flujo. La presión nunca será exactamente la misma en estos dos puntos, pero las buenas prácticas de llenado del molde pueden reducir la diferencia. Mientras más uniforme sea la presión en la cavidad, más uniforme será la contracción del material a medida que el polímero se enfría.

La velocidad de enfriamiento es el otro factor crítico. El llenado rápido presenta un alto nivel de orientación en el polímero. Esta orientación es máxima en la capa de polímero que está justo debajo de la superficie del molde

También es la capa de material que se enfría más rápidamente. Mientras que cierto nivel de orientación puede ser beneficioso, si es excesivo representará una fuente de esfuerzo interna. El nivel de la orientación retenida y la diferencia en la velocidad de enfriamiento entre la superficie de la pieza y el núcleo puede reducirse utilizando una alta temperatura de molde. Esto reduce la tasa de enfriamiento, permitiendo que el polímero se relaje en mayor medida mientras se desarrolla la estructura en la pieza.

Otro beneficio secundario al utilizar altas temperaturas de molde es que ralentiza la velocidad a la que se desarrolla la capa congelada. Al instante en que el polímero fundido entra en el molde, el material en la superficie comienza a congelarse. El flujo del polímero a través de la cavidad es continuado por material fundido a través de las capas interiores que aún no se han solidificado, un fenómeno conocido como flujo de fuente.

Las fuerzas de cizalla que se desarrollan entre las capas exteriores que han dejado de fluir y las capas interiores que están todavía en movimiento son una fuente de esfuerzo interno. Por lo tanto, en la medida en que pueda reducirse la tasa de desarrollo de la capa congelada, puede reducirse también el esfuerzo interno. Muchos defectos cosméticos, tales como rayas de tigre, líneas de flujo y piel de naranja, son síntomas de una capa congelada que se desarrolla muy pronto en el proceso de llenado de molde.

Además, recordemos que la caída de presión depende en gran medida del tamaño de la trayectoria del flujo. En una sección transversal redonda, una reducción de 0.050" (1.25 mm) a" 0.040 pulgadas (1 mm) hace que se duplique la pérdida de presión. Tendemos a pensar que si una pieza tiene un espesor de pared de 0.080"(2 mm), esto representa la ruta de acceso disponible a través de la cual fluye el polímero, sin importar la ubicación en la cavidad. Pero, en realidad, el tamaño de la trayectoria del flujo disponible se vuelve más pequeño cuando el material se desplaza más dentro de la cavidad, lejos de la entrada o entradas. Este es otro factor en la caída de presión que observamos entre la entrada y el final de la trayectoria del flujo. Las temperaturas altas del molde reducen la tasa de desarrollo de la capa congelada y permiten lograr una distribución de la presión más uniforme en la cavidad.

Estos principios de flujo de polímero y enfriamiento están detrás de las observaciones que se discutieron en la columna anterior. Es interesante que la misma atención a la temperatura del molde que asegura la óptima cristalización en polímeros semicristalinos también produce propiedades óptimas en los polímeros amorfos.

Si la temperatura del molde es considerada como el único factor en la determinación de tiempo de ciclo, hay una gran reticencia a aumentarla por parte del procesador; sin embargo, si se entiende que la temperatura del molde y la temperatura del fundido trabajan conjuntamente, entonces se puede ver que un equilibrio adecuado entre los dos parámetros es la clave para optimizar las propiedades del material, manteniendo un tiempo de ciclo competitivo.

Aunque el enfoque de estos artículos ha estado en el procesamiento, es importante tener en cuenta que la capacidad para alcanzar una velocidad de enfriamiento uniforme y una distribución óptima de la presión en la cavidad también depende en buena parte del buen diseño de la pieza y del molde. Diseñar una pieza con grandes variaciones en el espesor de la pared, o seleccionar una ubicación de la entrada que resulte en un llenado de una sección más gruesa a través de una sección más delgada, va a crear problemas que el procesador difícilmente podrá compensar.

Tradicionalmente, las decisiones de un diseño deficiente simplemente se pasan por alto y se deja que el procesador resuelva el problema. Con frecuencia, el resultado es un conjunto de condiciones de proceso que representan un intento de corregir el diseño deficiente. Esto a menudo incluye bajar las temperaturas del molde y subir las presiones de empaque, las mismas cosas que crean niveles elevados de tensión interna. Las buenas prácticas de la ingeniería concurrente piden un profundo debate entre todas las partes interesadas durante las primeras etapas de desarrollo de productos para que estos problemas puedan ser resueltos antes de que el molde sea construido.

Acerca del autor

Michael Sepe.

Michael Sepe.

Michael Sepe

Consultor independiente sobre materiales y procesamiento, a nivel global, cuya compañía, Michael P. Sepe, LLC, tiene su sede en Sedona, Arizona. Tiene más de 40 años de experiencia en la industria del plástico y asesora sus clientes en selección de materiales, diseño para manufactura, optimización de procesos, solución de problemas y análisis de fallos. Contacto: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com

Consulte otras columnas de la serie ‘El trabajo más importante de un procesador’:

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