Claves para seleccionar el tonelaje en moldeo por inyección

En su nivel más básico, el moldeo por inyección consiste en inyectar plástico fundido en el interior de un molde cerrado, que posteriormente se abre cuando el plástico está frío y alcanza su temperatura de expulsión. Las presiones que se utilizan para inyectar el plástico son lo suficientemente altas como para separar las dos mitades del molde durante el proceso de inyección. Para evitarlo, se aplica una fuerza definida como tonelaje o fuerza de cierre, sobre las dos mitades del molde.

A la hora de seleccionar la máquina de moldeo adecuada para un molde determinado hay cinco especificaciones que deben tenerse en cuenta: tonelaje, capacidad máxima de inyección, presión máxima de inyección disponible, velocidad máxima de inyección disponible y ajuste máximo de la temperatura del cilindro.

Por supuesto, hay otras especificaciones que deben cumplirse, como garantizar que el molde se pueda instalar (distancia entre placas y barras), pero este tipo de consideraciones no están relacionadas con el plástico.

La presión dentro de la cavidad para hacer una pieza aceptable dependerá, principalmente, del diseño de la pieza. El plástico tendrá que llenar la cavidad y luego empaquetar con plástico adicional para compensar la contracción que se produce al enfriarse el plástico.

Cálculo del tonelaje en moldes de inyección

A medida que el plástico llena la cavidad, la presión media dentro del molde puede oscilar entre 4,000 y 8,000 psi, de acuerdo con el diseño de la pieza. Dado que 1 tonelada equivale a 2,000 libras, la presión media en la cavidad oscila entre 2 y 4 toneladas/pulgada². Este cálculo es la forma en que gran parte de fabricantes de materiales estiman el tonelaje necesario para sus resinas.

Para comprender mejor el cálculo del tonelaje necesario, supongamos que la presión dentro de la cavidad es de 5,000 psi, lo que equivale a 2.5 toneladas. Esta presión puede abrir las mitades del molde si no se aplica contrafuerza sobre ellas.

Si el área proyectada de la pieza sobre la que se aplica la presión es de 1 pulgada², entonces necesitaremos una fuerza ligeramente superior a 2,5 toneladas para contrarrestar la presión que intenta abrir el molde. El área proyectada se define como el espacio 2D sobre el que se aplica la presión del material fundido, mirando en la dirección de inyección. Obsérvese que no es la superficie de una pieza (figura 1).

Los moldeadores utilizan una fórmula sencilla basada en lo anterior para calcular el tonelaje necesario. Según la figura 2, si el área proyectada de una cavidad es de 6 pulgadas² y se trata de un molde de cuatro cavidades, el área proyectada para las cuatro cavidades es de 6 × 4 = 24 pulgadas². Si el área proyectada para el canal es de 4 pulgadas², el área total proyectada para el molde es de 28 pulgadas². Si el requisito de tonelaje sugerido por el proveedor de materiales es de 4 toneladas/pulgada², entonces el tonelaje necesario para este molde es de 112 toneladas (28 × 4). Aunque la fórmula anterior es una buena estimación del tonelaje necesario para un molde específico, este tipo de cálculo tiene varias limitaciones.

Influencia de la relación longitud-espesor en piezas

La presión de inyección se utiliza para llenar la cavidad con plástico, la presión de empaquetado compensa la contracción, y la presión de sostenimiento mantiene el plástico dentro de la cavidad hasta que la compuerta se congela. Consideremos un gran cesto de basura, redondo, utilizado para recoger los residuos del jardín.

La relación longitud-espesor del flujo (relación L/T) de este cubo es grande y, por tanto, las presiones de inyección necesarias para llenar la cavidad son elevadas. Excepto en la zona del asa, la mayor parte de la pieza está formada por una pared fina, lo que implica que las presiones de empaquetado y sostenimiento son relativamente menores.

Consideremos ahora el diseño de una pieza con una pared muy gruesa. En tal caso, la presión de inyección será baja, pero las presiones de empaquetado y sostenimiento serán altas. En algunos casos pueden ser superiores a la presión de inyección. Por lo tanto, una pieza de pared delgada y una de pared gruesa con las mismas áreas proyectadas pueden requerir tonelajes diferentes.

Imagine una pieza larga de 12 pulgadas con una compuerta lateral. Ahora imagine la misma pieza con dos compuertas, una en cada extremo. Con nuestros conocimientos de moldeo, sabemos que la pieza con dos compuertas requerirá presiones de inyección, empaquetado y sostenimiento más bajas, lo que reduce así el tonelaje necesario para el molde. Por lo tanto, el número y tipo de compuertas tendrán un efecto en el tonelaje requerido. Una compuerta de borde llenará la pieza más fácilmente que una compuerta submarina o anacardo.

Extendemos la discusión usando la misma pieza de 12 pulgadas: si movemos la única compuerta del extremo de la pieza a su centro, podemos seguir la misma teoría y darnos cuenta de que necesitaremos menor presión y tonelaje en la pieza de compuerta central en comparación con la pieza de compuerta lateral.

Efecto de las compuertas en el tonelaje requerido

Las piezas de gran tamaño, como los parachoques y los paneles laterales de los automóviles, suelen utilizar compuertas valvuladas secuenciales para el proceso de llenado del molde. El área proyectada de estas piezas es muy grande, pero como cada compuerta se abre de una en una o en una secuencia determinada, el material plástico aún no ha empezado a enfriarse, lo que permite utilizar presiones más bajas para llenar y empaquetar las piezas. La mayoría de estas piezas puede moldearse en máquinas de 1,500 a 2,000 toneladas, pero si se aplicara el cálculo del área proyectada, se necesitaría una máquina de 5,000 o 6,000 toneladas.

La figura 3 resume lo expuesto. Además, hay que tener en cuenta que la orientación de la pieza en el molde influirá en el área proyectada (figura 4). Se trata exactamente de la misma pieza, pero la parte sombreada muestra la gran diferencia del área proyectada.

En la segunda pieza, el área proyectada es mucho menor que en la primera, pero esto no significa que podamos cantar victoria y usar un tonelaje menor porque la longitud de flujo en la dirección de apertura del molde es mucho mayor.

Existen diferentes tipos de mecanismos laterales para moldear las características laterales de la pieza. Las correderas pueden estar sobre pasadores angulares o pueden activarse hidráulicamente. Si están sobre pasadores angulares, entonces la carga en la dirección de apertura del molde debe ser calculada porque esta fuerza abrirá el molde y, por lo tanto, afecta el tonelaje. Si se activan hidráulicamente, no es necesario tener en cuenta la fuerza de activación.

Optimización del tonelaje en moldes

Teniendo en cuenta lo que hemos comentado hasta ahora, está claro que el cálculo del tonelaje no debe basarse únicamente en el área proyectada. Hay otros factores que deben tenerse en cuenta, como el espesor de la pieza, las longitudes de flujo, la posición, número, tipo y mecanismos de la compuerta, la orientación de la pieza en el molde y la presencia y el tipo de mecanismo de deslizamiento utilizado. A medida que se profundiza pueden surgir factores adicionales. Por ejemplo, si considera la ventilación, se dará cuenta de que también afectará al tonelaje necesario.

La mayoría de los moldeadores seleccionarán una máquina con base en la fórmula del área proyectada, a falta de un recurso mejor. Cuando el molde se entrega en la planta de moldeo, la mayoría de los procesadores ajustan el tonelaje al máximo disponible en la máquina, lo que no es ideal.

Optimizar este escenario es un procedimiento sencillo y lógico que solo lleva de 10 a 15 minutos. Para el molde en cuestión, establezca el tonelaje con base en unas 3.5 a 4 toneladas/pulgada². Para el ejemplo, digamos que el tonelaje de la máquina se fijó en 60 toneladas. Ajuste el proceso de moldeo utilizando los principios de moldeo científico y diseño de experimentos. Asegúrese de que el cojín final de este proceso está optimizado. Por ejemplo, para un diámetro de tornillo de 35 a 60 mm, los valores del cojín deben estar entre 0.15 y 0.25 pulgadas (alrededor de 5 a 8 mm).

A continuación, comience a reducir el tonelaje establecido de la máquina en pasos de 5 toneladas y recoja el disparo completo, incluidas las piezas y los canales de alimentación. Consulte la figura 5, que representa gráficamente el peso de la inyección en función del tonelaje. El gráfico muestra que a medida que se reduce el tonelaje, el peso de la inyección aumenta ligeramente hasta el punto en el que las mitades del molde se separan y entonces se produce un aumento repentino del peso de la inyección. En este caso, ese valor era de 40 toneladas y a las 35 toneladas las piezas presentaban rebabas perceptibles. Dado que el aumento notable del peso se produjo a las 40 toneladas, el tonelaje debe fijarse entre 45 y 50 toneladas.

También puede graficar una dimensión de la pieza vs. tonelaje (figura 5). Elija una dimensión de pieza en la dirección de apertura del molde y verá una tendencia similar, en la que la dimensión de la pieza aumentará cuando se separen las mitades del molde.

Este gráfico también puede mostrar cómo podrían cambiar las dimensiones con el tonelaje. Una pieza puede estar dentro de las especificaciones en una prensa de 50 toneladas, pero no en una de 75 (o viceversa), aunque los procesos sean idénticos.

La razón de tener un valor de cojín bajo durante estos estudios es proteger el molde de una rebaba excesiva. Tener un cojín grande puede crear una rebaba que podría terminar en las correderas, respiraderos y otras áreas delicadas del molde. Esto podría dañar los componentes del molde y requerir que el molde sea llevado al taller para su limpieza y reparación.

Recuerdo un comentario que frecuente en el taller de moldes: “Limpiamos la ventilación cuando generamos rebaba”. Aunque a algunos les pueda hacer gracia, esta afirmación no tiene ningún valor técnico y, desde luego, no es una broma para el personal técnico del taller.

En resumen, hay varios factores que afectarán el tonelaje de un molde determinado y la fórmula común para calcular el tonelaje no funciona muy bien. El tonelaje de un molde determinado debe optimizarse para disponer de un proceso sólido, repetible y reproducible, que proporcione piezas con la calidad requerida en cada lote.