Enfriamiento en moldes de inyección con CO2 líquido

Los hundimientos, los ciclos excesivamente largos o retos tan difíciles como llevar agua dentro de un pasador o espiga de núcleo largo y delgado, son problemas que todo moldeador ha enfrentado en algún momento.

Hasta hace poco, las opciones para hacer frente a estos problemas habían sido limitadas. Sin embargo, un fabricante de productos mediante moldeo por inyección ha descubierto nuevas tecnologías para refrigerar los moldes, que rompen viejas ideas preconcebidas de lo que es posible.

PTI Engineered Plastics (Macomb, Michigan, E.U.) es una empresa privada, fundada en 1984. Su mercado es de aproximadamente 50% partes médicas y 35% para la industria automotriz, el resto abarca defensa, electrónica y productos de consumo. PTI opera una planta de 14,500 metros cuadrados (155,000 pies cuadrados) con 46 prensas de 12 a 750 toneladas. Desde 2012, la planta ha vinculado a 100 empleados, para llegar a un total de más de 250.

La mitad de los negocios de la empresa son prototipos y trabajos de corridas cortas. “Nuestro punto óptimo es de 50,000 a 150,000 partes”, dice Scott Kraemer, director encargado de diseño corporativo, nuevas tecnologías y Tech Academy. “Tenemos clientes en industria médica que hacen solamente de 5,000 a 20,000 piezas al año, pero son piezas de producción”.

PTI utiliza principalmente moldes de aluminio QC-10 (que se fabrica internamente) para prototipos y corridas cortas. Para los trabajos largos, PTI también diseña y construye herramentales de acero o "híbridos", con bases de aluminio e insertos de acero.

Tan largo como el nombre del cargo de Kraemer es también la lista de sus tareas. “Me pongo muchos sombreros”, dice. Dos de estos incluyen la responsabilidad de diseño de moldes y la implementación de nuevas tecnologías, los cuales  ha combinado para dar lugar a dos soluciones para enfrentar los desafíos en el enfriamiento de los moldes. Su tercera responsabilidad es la "escuela" de PTI para enseñar a estudiantes de secundaria acerca de las opciones en estudios de manufactura.

El potencial del enfriamiento localizado con CO2 líquido

PTI Engineered Plastics tiene una historia de éxito con la tecnología de enfriamiento localizado con CO2 líquido (LCO2) que se ha utilizado en Europa desde hace varios años y que fue introducida en Estados Unidos en 2012 por Linde North America.

Esta tecnología consiste en llevar el LCO2 por presión a las áreas del molde donde es difícil dispersar el calor con refrigeración por agua convencional. Una vez liberado de un tubo presurizado, el  LCO2 se expande en una mezcla  de “nieve y gas” de alrededor de -79°C (-110 °F), que tiene alta capacidad de enfriamiento gracias a la energía de transición de la fase de sólida a gaseosa.

“El CO2 líquido puede entrar en espacios pequeños donde es difícil usar agua”, dice Kraemer. “Y lo bueno es que no hay que preocuparse por tener una línea de retorno para sacar el CO2, porque al convertirse en un gas, luego se ventila por el herramental”.

Aplicaciones prácticas del enfriamiento con CO2 líquido

En el último año, PTI ha utilizado enfriamiento localizado con LCO2 en más de media docena de moldes de ocho a 48 cavidades. Un ejemplo es un panel en policarbonato para un cliente que hace equipos médicos (foto).

El panel es de 38 x 45.72 centímetros x 6.35 centímetros de profundidad (15 x 18 pulgadas x 2.5 pulgadas de profundidad). Tenía un problema de hundimiento que fue resuelto con la refrigeración localizada a través de un pasador de núcleo. "Así, eliminamos el hundimiento sin cambios en el tiempo de ciclo", dijo Kraemer.

Otro ejemplo que él destaca es una pieza médica en nylon claro de 0.6 centímetros de diámetro y 3.8 centímetros de largo (0.25 pulgadas de diámetro y 1.5 in de largo), que cuenta con un pasador de núcleo de 0.2 centímetros de diámetro (0.100 pulgadas de diámetro).

“No había manera de usar agua allí” asegura Kraemer. A los 38-40 segundos, la parte excedía el tiempo de ciclo mencionado, así que cortamos un agujero en el pasador e inyectamos LCO2. El ciclo bajó a 26 segundos”, comentó.

Kraemer está evaluando “herramentales problemáticos” con inconvenientes de calidad o duración excesiva de los ciclos, como candidatos para enfriamiento localizado con LCO2. También está empezando a diseñar moldes pensados desde el principio para enfriamiento con LCO2. "Esto nos permite enfriar  donde antes no podíamos", aseguró. Kraemer también está interesado en experimentar con LCO2 en la conformación de canales de refrigeración que rodeen el contorno de la pieza.

Integración de la manufactura aditiva en el enfriamiento de moldes

Una forma de diseñar componentes de herramientas para el enfriamiento localizado con LCO2 es a través de la fabricación aditiva (también conocida como impresión 3D). La construcción de un inserto u otro componente en capas delgadas de metal en polvo, le permite incorporar canales de refrigeración de cualquier forma en cualquier lugar, sin costo adicional.

En la experimentación con láser sinterizado de metal directo (DMLS), desde octubre pasado, Kraemer ha construido insertos de núcleo de 7.6 centímetros de diámetro y 17.7 de largo (3 pulgadas de diámetro y  7 pulgadas de largo), con conformación de refrigeración interna.

Se muestra aquí un pasador o espiga de núcleo largo hecho con DMLS que tiene canales de agua internos y externos de 0.10 centímetros (0.040 pulgadas). Con el fin de lograr el enfriamiento de la mayor parte hasta la punta de 0.2 centímetros (0.100 pulgadas de diámetro), Kraemer construyó una segunda versión del pasador de núcleo con canales para LCO2 de 0.10 centímetros (0.040 pulgadas).

Kraemer también encontró que el DMLS permite construir insertos de herramentales con una estructura de entramado, cuando la aplicación de fuerza no es un problema. Eliminar tanto metal como sea posible, hace que el componente sea más ligero en peso y potencialmente más rápido para enfriar. Al cierre de esta edición, Kraemer había comenzado ensayos para la construcción de un inserto con estructura de entramado con la función de enfriamiento localizado con LCO2.