Mejorar la capacidad del proceso: el papel de los cinco pilares esenciales

En la primera entrega de esta serie de artículos, publicada en la edición de octubre de 2018, se discutieron los conceptos de capacidad de proceso y el diagrama de presión-volumen-temperatura (PVT).

El empaque óptimo de la pieza conducirá a una menor variación, dando como resultado una mayor capacidad de proceso (Cp) e índice de capacidad de proceso (Cpk). El objetivo en cada etapa debe ser tratar de lograr el peso óptimo de la pieza.

El peso óptimo en gran medida depende de las fases de llenado, empaquetado y sostenimiento, y todas las variables involucradas deben ser consideradas. La temperatura de la pieza también debe ser tomada en cuenta al momento de la expulsión, por cuanto está relacionada con la estabilidad dimensional.

Hay cinco pilares que contribuyen a la calidad de una pieza moldeada por inyección (Fig. 1). Cada uno debe ser considerado y optimizado antes de la producción de la pieza. Cp y Cpk son medidas de la capacidad del proceso para producir piezas buenas.

Cuanto más alto sean los números, mayores serán las posibilidades de moldear partes aceptables, o dicho de otra manera serán menores las posibilidaades de tener rechazos. Dado que el desarrollo y ajuste del proceso de moldeo constituye el último de los cinco pilares, a menudo se convierte en la carga del ingeniero de procesos la mejora del Cpk. El logro del Cpk requerido debe considerarse en cada etapa de cada uno de los cinco pilares.

En la fase de llenado la cavidad se llena con plástico fundido. En la fase de empaque, se introduce plástico adicional para compensar la contracción. El desafío es agregar el plástico antes de que la masa fundida alcance su temperatura de no flujo.

Si la pieza está sub empaquetada y la temperatura del plástico dentro de la cavidad está por debajo de la temperatura de no flujo, ninguna cantidad de presión ayudará a empaquetar el plástico adicional. Por encima de la temperatura de no flujo, el tiempo y la presión de empaquetamiento es directamente proporcional al peso de la pieza. Cuanto más alto son las presiones y los tiempos, mayor es el peso de la pieza. (Las partes pueden y serán sobre empaquetadas, un tema que se tratará en un artículo posterior).

A medida que aumenta el peso en la pieza, el número de moléculas dentro de la cavidad comienza a estabilizarse, traduciéndose en una menor variación entre disparos. Esta reducción en la variación ayuda a aumentar la capacidad del proceso. Por lo tanto, el objetivo debe ser lograr un empaquetamiento máximo sin llegar a sobre empaquetar.

La prueba está en los datos (Fig. 2). Se usó un molde de dos cavidades para este experimento. Treinta partes fueron moldeadas con 2000 psi y 8000 psi de presión de empaque de plástico. Se pesaron las 30 partes y se calcularon los rangos. Los resultados muestran claramente que una mayor presión en el empaque reducirá la variación en los pesos de las piezas, lo que se reflejará en la calidad y dimensiones de la pieza.

Los cinco pilares del moldeo por inyección

Cada uno de los cinco pilares juega un papel importante la reducción de la variación en el proceso. Tenga en cuenta que los factores mencionados a continuación no son los únicos factores. Una vez que los moldeadores entiendan la importancia de un óptimo empaquetamiento, deben investigar los medios para lograrlo.

Veamos algunos de estos:

Diseño de la pieza: una de las reglas importantes en el diseño de la pieza es tener longitudes de flujo que permitan que el plástico sea lo suficientemente fluido, no solo para fluir hacia el final del llenado sino también hasta que se logre todo el empaquetado de la pieza. Esto se define para cada material por la relación longitud / espesor (L / T) de la pieza.

Las paredes delgadas a menudo aumentan la presión requerida para llenar la pieza y se complica el llenado de la pieza. La presión de empaquetado y sostenimiento disponible en la sección con paredes delgadas no es consistente, lo que conduce a la variación en el volumen específico del llenado, que a su vez conduce a una variación en las dimensiones de la pieza disparo a disparo, por lo tanto, a una menor capacidad de proceso. Una guía a seguir es no tener dimensiones críticas al final del llenado si las longitudes de flujo son largas. Inyectar la pieza en una sección delgada y luego tratar de empaquetar una sección gruesa también puede traer problemas de consistencia en la sección gruesa.

Material: A medida que la masa fundida llena la cavidad, se enfría y reduce su volumen. Esta contracción debe ser consistente desde el inicio del disparo para obtener una buena capacidad de proceso. Naturalmente, los materiales con alto valor de contracción tendrán una mayor variación en comparación con aquellos que tienen valores de contracción más bajos. Por ejemplo, un PP tendrá más variación disparo a disparo que un ABS, debido a que la contracción del PP puede ser del 1.5 al 2% o más, mientras que para el ABS es del 0.7% al 1.2%. Un relleno también puede influir en esto, generalmente reduciendo el valor de contracción. Basados en esto podemos afirmar que los materiales pueden influir en la capacidad del proceso.

Para una mayor capacidad de proceso, elija un material que tenga menor contracción. También es importante considerar el tamaño de la pieza. Cuanto mayor sea la dimensión, mayor será el valor absoluto de la contracción. Si un material dado se contrae 1%, entonces la contracción total en 1 pulgada será de 0.010 pulgadas, pero con 10 pulgadas la contracción total será de 0.100 pulgadas. La variación en partes de 10 pulgadas será mayor que la variación en partes de una pulgadas, por lo tanto el proceso será menos capaz. (Por ese mismo motivo, es muy fácil controlar las dimensiones en micromoldeo, lo que lleva a valores de Cp altos).

Diseño y fabricación de moldes: La ubicación del punto de inyección, la cantidad de venteos y el enfriamiento son algunos de los factores que afectan la capacidad del proceso. Recuerde que en el diseño de la pieza, la relación L / T es fundamental para el llenado de la pieza. La ubicación del punto de inyección debe ser tal que la L / T de la parte no esté cerca del límite del L / T del material, esto generaría una inconsistencia disparo a disparo. En algunos casos, la ubicación del punto de inyección es gobernado por el aspecto estético de la pieza y / o la disminución de costos en el molde, disminuyendo la capacidad del proceso. El cliente final debe ser informado de esto.

Los venteos o salidas de aire en el molde ayudan a expulsar el aire de la cavidad y reemplazarlo con plástico. Si el número y / o la profundidad y / o el largo de los venteos no es adecuado, el aire no sale del molde a la velocidad requerida, lo que restringe el flujo de plástico. Debido a esta restricción, pueden producirse burbujas de aire atrapado, vacuolas, llenados incompletos y efecto diesel.

De nuevo, esto lleva a un llenado inconsistente de un disparo a otro, lo que resulta en una menor capacidad de proceso. La pieza debe alcanzar la temperatura de expulsión del material antes de ser expulsada. Por debajo de la temperatura de expulsión, el material tiene propiedades mecánicas suficientes para ser expulsado del molde y no deformarse. Pero las moléculas de resina aún pueden tener suficiente energía para moverse y asentarse en la ubicación de su elección, lo que lleva a la contracción posterior al desmoldeo. Para tener un enfriamiento uniforme de la pieza (pensemos en deformaciones otra vez) y tiempos de ciclo eficientes, debe haber un control efectivo de la temperatura del molde. El diseño de las líneas de enfriamiento es por lo tanto crítico.

Los diámetros de los canales de enfriamiento, la distancia hasta la pieza y la distancia entre sí, deben ser tales que cuando se expulsa la pieza no existan “zonas calientes” que nuevamente conduzcan a contracción y deformación inconsistentes, lo que afectará la consistencia del proceso. El tiempo de enfriamiento dependerá de la velocidad de extracción de calor de la cavidad. Para lograr un tiempo de ciclo corto, los moldeadores pueden disminuir el tiempo de enfriamiento. La dimensión de la parte se puede lograr, pero la variación de un disparo a otro puede ser alta, lo que lleva a una capacidad de proceso más baja.

Máquina de inyección: La masa fundida debe ser homogénea y no degradada. El cilindro y el husillo desempeñan un papel importante en el logro de este objetivo. El cilindro de la máquina de moldeo debe elegirse de modo que el plástico permanezca en el interior el tiempo suficiente para que el plástico se plastifique, pero no tanto como para degradarse. Por lo tanto, el porcentaje de uso del barril no debe ser demasiado bajo o demasiado alto.

Este porcentaje generalmente se considera bajo de 15% a 20% y alto de 70% a 80%. Cuanto menor sea el número, mayores serán las posibilidades de degradación, especialmente para resinas sensibles al calor y/o piezas con ciclo más largo.

El cizalladura proveniente de la rotación del tornillo también debe minimizarse. Cuanto mayor sea la cizalladura, más experimentará los problemas con la homogeneidad de la masa fundida. Todos estos problemas darán como resultado una baja consistencia en la masa fundida que reducirá la capacidad del proceso. La elección del tamaño del barril es por lo tanto importante. El proceso tampoco debe estar limitado por presión.

Proceso de moldeo: Como ha sido el tema subyacente, el empaquetado óptimo de la pieza dará la mejor capacidad de proceso. Los cuatro factores anteriores ayudan a lograr este objetivo. El ingeniero de procesos no debe comprometer la capacidad del proceso para obtener las dimensiones requeridas de la pieza. En otras palabras, una parte sub empaquetada puede alcanzar las dimensiones requeridas pero puede no tener un buen valor de Cp.

Uniendo los cuatro pilares

Aparte de las razones anteriores, relacionadas con los cinco pilares, hay otros factores que son comunes entre ellos:

Ventana del proceso de moldeo: La ventana del proceso tiene relación principalmente con el diseño de la pieza y el diseño y construcción del molde. Cuanto mayor sea la ventana, más robusto y capaz será el proceso. La razón principal para ventanas de proceso estrechas, es la aparición de rebabas en la pieza a presiones del empaquetamiento ligeramente mayores que las utilizadas para llenarla. Esto indica que los sellos o asientos del molde pueden ser inadecuados. También podría deberse a que una sección en la pieza es demasiado gruesa, lo que requiere que el procesador utilice presiones excesivas. Si el tonelaje de la máquina es insuficiente, las piezas formaran rebabas antes de ser empaquetadas a un nivel óptimo. Por lo tanto, los procesadores utilizarán una presión de empaquetado más baja, lo que llevará a una variabilidad en el proceso.

Proceso limitado por presión: se relaciona con la selección de materiales, diseño de piezas, diseño de moldes o selección de máquinas. Un proceso limitado por presión no permitirá una presión suficiente para llenar y empaquetar la pieza, lo que provocará inconsistencias. Un material con un límite bajo de L / T puede causar que el proceso se limite por presión. Los moldeadores generalmente sugieren el uso de materiales de menor viscosidad para ayudarlos a llenar la pieza más fácilmente a presiones más bajas. Las secciones delgadas en el diseño de la pieza también pueden aumentar la presión necesaria, alcanzando los límites de presión del proceso. La ubicación del punto de inyección debe estar en un área que permita que el plástico fluya mejor hacia los extremos del llenado, lo que lo hace menos propenso llegar a los límites de presión. A veces, en las partes de pared delgada, las presiones necesarias pueden superar los 30,000 psi, por lo tanto, se debe seleccionar una máquina con una capacidad de presión mayor.

Los anteriores son algunos de los factores a considerar, pero hay aún más factores que no son mencionados aquí. Es importante que cada proyecto se considere con un enfoque holístico, evitando el enfoque de ingeniería tradicional. Esto asegurará el éxito del proyecto.

Durante este estudio hubo otra observación interesante que se encontró durante la evaluación de la capacidad del proceso cavidad a cavidad. Esto será discutido en un artículo posterior.