Proceso de moldeo por extrusión soplado: claves y ventajas

Para dar seguimiento al tema sobre la fabricación de piezas huecas que iniciamos en nuestro artículo de marzo pasado, en el que abordamos algunos aspectos sobre el método de moldeo rotacional, en esta ocasión nos introduciremos en el también interesante e importante proceso de moldeo por extrusión soplado.

Me gustaría iniciar por compartir alguna de tantas experiencias que me tocó vivir en el campo del procesamiento de los plásticos, al recordar el caso de una empresa que visité para una asistencia en planta. Específicamente, frente a un problema que se les presentó al tratar de moldear un envase de HDPE que sería utilizado en contacto con aceite automotriz.

Por su falta de experiencia y no estar familiarizados con el proceso y el manejo de materiales, no podían concretar el moldeo del contenedor debido a la selección inadecuada de una resina del tipo homopolímero y no un copolímero, además de una fluidez mayor que la correspondiente.

Con este caso trato de ejemplificar la importancia que reviste el conocer los diversos parámetros estructurales de los materiales con los que trabajamos, o bien las condiciones de procesamiento que nos permitan un buen control del proceso, además de identificar la causa de diferentes problemas que se pueden presentar.

Control de parámetros en el proceso de moldeo por soplado

El moldeo por soplado es un proceso ampliamente utilizado también para la fabricación de productos con cavidad interna. Este método implica la formación de un tubo hueco con material plastificado, conocido como “párison”, en el caso de la extrusión soplado, o a través de una preforma en el proceso de inyección soplado, como se puede apreciar en el esquema de la figura 1.

Es, pues, un proceso versátil para la obtención de artículos de formas irregulares como partes automotrices, juguetes, envases para las industrias alimentaria, cosmética y química, así como para contenedores industriales de grandes dimensiones. El principio de este proceso consiste en que una masa de plástico fundido, provista por un extrusor o una inyectora, en forma de tubo caliente llamado párison o preforma, desciende por gravedad entre las dos partes hasta alcanzar la longitud adecuada.

Enseguida, se cierra el molde pellizcando y sellando el fondo del párison; en ese momento es soplado aire en su interior para expandir la pared del material caliente hasta tomar la forma de la cavidad del molde; la pieza ya formada y en contacto con el molde inicia la etapa de enfriamiento y solidificación, al ser este enfriado con agua. Se abre entonces el molde y se remueve el producto terminado.

Etapas claves del moldeo por soplado

Podemos mencionar cinco etapas principales del proceso:

• Plastificación o fundido de la resina
• Producción o formación del párison
• Soplado del párison o preforma en un molde para producir la pieza terminada
• Expulsión de la pieza
• Recorte (o rebabeo en el caso de extrusión soplado) y acabado de la pieza.

Por otra parte, y de manera sustancial, la estructura de los polímeros en todos los niveles afecta el proceso de moldeo por soplado en diversas maneras; a su vez, las etapas de calentamiento y estirado, claves en el desarrollo del proceso, tienen efecto significativo en la estructura del material plástico, principalmente en las fenómenos de orientación y cristalización de las moléculas.

Puesto que la mayoría de las operaciones del moldeo por soplado están dirigidas, en mayor medida, a envases para contener alimentos y bebidas, medicamentos, cosméticos, etc., los efectos de la configuración molecular del material, sobre propiedades tales como transparencia, permeabilidad, resistencia química y al impacto, entre otras, son de gran consideración e importancia.  

Parámetros estructurales para considerar

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  Fig. 2. Correlación del PM en la formación del párison.

  Peso molecular. Es la expresión que designa la longitud de cadena de un polímero, que en este caso determina la facilidad o dificultad para la formación del párison durante la extrusión, y que se relaciona directamente con la viscosidad del fundido y la resistencia del fundido, como se puede apreciar en el esquema de la figura 2. Así pues, se requiere un alto PM para generar un material fundido resistente, que pueda estirarse uniformemente sin adelgazarse o fracturarse, además de permitir una mejor orientación (reacomodo de la zona cristalina) durante el estirado, lo que permite la obtención de propiedades finales adecuadas, tales como resistencia al impacto y a la tensión, así como resistencia térmica y a solventes, de manera particular en el caso de envases para uso en contacto con bebidas o alimentos.

Asimismo, el peso molecular (PM) tiene una fuerte interacción y efecto sobre diversas propiedades de los materiales poliméricos, como apreciamos en los siguientes casos y en la tabla 1.

• (PM) estabilidad térmica. El incremento en el peso molecular tiene un efecto directamente proporcional sobre la estabilidad térmica. Es decir, el material tiene mayor resistencia frente a condiciones que pueden ocasionar su degradación, lo que representa para el moldeador un mayor rango de procesabilidad.  
• (PM) conductividad térmica. Desde el momento en el que el polímero fundido ha sido soplado dentro del molde, el moldeador busca enfriarlo tan rápidamente como sea posible, para reducir con esto el tiempo de ciclo del moldeo; la conductividad térmica del material plástico por procesar tiene aquí un papel relevante. En un polímero fundido, la conducción de calor es debida principalmente al fenómeno de convección, que depende de la movilidad molecular y resulta, por lo tanto, inversa al PM. 
• (PM) Fusión y cristalización. Al calentar un material cristalino hasta llegar a fundirlo, se encuentra que a mayor PM se requiere una temperatura de fusión elevada y tiempos de enfriamiento más largos, lo que puede incrementar el ciclo de moldeo. Al llenar el molde con el material fundido, se deberá buscar enfriarlo hasta que cristalice lo máximo posible antes de que el molde sea abierto; con ello se evitarán problemas de deformación o contracción del producto terminado.

Por lo anterior, los pesos moleculares (PM) más bajos proveen la movilidad molecular necesaria para que las moléculas cristalicen más rápido y reduzcan con ello el ciclo de moldeo. En consecuencia, la cristalización rápida durante el enfriamiento del molde resulta ser, generalmente, un factor crítico. Por ello, se aprecia la necesidad de mantener un compromiso entre PM altos y bajos.

• Cristalinidad. En el proceso fundido-solidificado de los materiales se coexisten regiones amorfas con un ordenamiento irregular y aleatorio, así como regiones muy ordenadas y bien empacadas que contribuyen a otorgar una mayor rigidez, resistencia química e impermeabilidad. Así, con un enfriamiento rápido se favorece un aumento de núcleos cristalinos, y si es lento se puede favorecer la eliminación de la cristalinidad en mayor grado.

Por todo ello, la cristalización puede resultar de utilidad en el moldeo por soplado debido a que mantiene la orientación del material durante la etapa de estirado y, con ello, la permanencia de una estructura orientada. Además, mejora las propiedades principales en la elaboración de envases en contacto con alimentos, tales como la rigidez, la estabilidad dimensional durante el recalentamiento y la impermeabilidad.

Por otra parte, la cristalinidad tiende a dañar algunas propiedades útiles como la elongación, la resistencia al impacto y la transparencia. Además, afecta la transferencia de calor y la capacidad térmica del sistema.  

Adicionalmente, tengamos en cuenta que el orden intermolecular, es decir, tanto la cristalinidad como la orientación, están en función de las etapas de calentamiento y estirado que afectan estas condiciones directamente. 

Sería imposible cubrir todos los parámetros estructurales que intervienen en el proceso de moldeo por soplado en este artículo, pero intento dar al menos una idea de cómo la parte interna o química de los materiales desempeña un papel muy importante en el proceso, y cómo el conocimiento y control de ellos puede ayudar a un proceso más eficiente y a un producto terminado de mayor calidad. Espero les sea de utilidad.