Control de procesos: cómo reducir esfuerzos en moldes de inyección

En nuestra revisión de las características que pueden ser controladas en gran medida durante el proceso, el siguiente punto en la lista es el esfuerzo interno en la pieza, también conocido como esfuerzo en el molde. El esfuerzo proviene de dos influencias principales: las diferencias de presión y las diferencias en la velocidad a la que el polímero se enfría dentro de la pieza. El polímero fundido que fluye exhibe una pérdida de presión a través del sistema que está relacionada en parte con la distancia y el área transversal por la cual fluye el material.

Por lo tanto, habrá un gradiente de presión medible a través de cualquier pieza moldeada a medida que el material fluye desde la entrada hasta los últimos lugares que se llenan en la cavidad. Esta variación en la presión producirá variaciones en el grado en que el material se contrae.

El efecto de la velocidad de enfriamiento

La velocidad de enfriamiento influye también en la contracción del material. Aún cuando el trazado de la línea de enfriamiento en un molde se haga con meticulosa atención al detalle, lo que rara vez ocurre, las velocidades diferenciales del enfriamiento son inevitables debido a las consideraciones del grosor de la pared. El material cerca de la superficie del molde se enfriará más rápido que el material en el centro de la pieza. Cuanto mayor sea el grosor de la pieza, más problemática será.

La orientación es otro factor asociado con el comportamiento de las diferentes capas del material que fluye a través del molde. Las cadenas de polímeros forman naturalmente una red enmarañada donde se enrollan las moléculas. Sin embargo, cuando el polímero fundido fluye, las diferencias en las fuerzas de cizalla entre las diferentes capas de material que fluye hacen que las cadenas se ordenen y se orienten en la dirección del flujo. Este es el mecanismo que provoca el comportamiento no-newtoniano en los polímeros.

Las velocidades de cizalla están en su punto más alto justo debajo de la superficie de la pieza, y esta también es la capa que se enfría más rápidamente. Este enfriamiento rápido limita el tiempo que las cadenas del polímero tienen para relajarse del estado orientado al estado enrollado. Por lo tanto, el material cerca de la pared exhibe un grado de orientación retenida relativamente alto en la pieza final.

El nivel de esta orientación disminuirá a medida que nos acerquemos al centro de la pieza. No sólo el gradiente de orientación entre la superficie y el núcleo es una fuente de esfuerzo, sino que, en materiales reforzados con fibra, la contracción anisotrópica es causada por las limitaciones que las fibras orientadas imponen en el cambio dimensional en el polímero a medida que se enfría. Esta limitación no se observa en la dirección transversal al flujo, o al menos no en la misma medida.

Estrategias para reducir el esfuerzo interno en moldes de inyección

En consecuencia, cualquier pieza fabricada contiene cierto nivel de esfuerzo interno que surge naturalmente del proceso de fusión. En muchos casos, estos esfuerzos aparecerán como alabeo. La deformación es el resultado natural de la contracción que varía en magnitud dentro de una pieza, ya sea debido a las consideraciones volumétricas o provocado por la orientación.

Pero incluso si el alabeo no es evidente en la pieza, los esfuerzos siguen estando presentes. A menudo, no aparecen hasta que la pieza está en uso y experimenta una condición ambiental, como temperatura elevada; que esté en contacto con un determinado producto químico o un evento de impacto. Los niveles elevados de esfuerzo darán lugar a una respuesta no óptima a estas influencias de la aplicación.

El alabeo es uno de los mecanismos por el cual se alivia el esfuerzo. Cuando los moldeadores no se ocupan de las causas principales y eligen o fijar una pieza para evitar el movimiento mientras se enfría o alterar las condiciones de procesamiento para reducir la deformación, muchas veces incorporan niveles más altos de esfuerzo. La mayoría de los procesadores saben que reducir la temperatura del molde es una forma muy efectiva de reducir la deformación. Hemos discutido la naturaleza temporal de esta mejora cuando se habla de polímeros semicristalinos. Pero ¿qué pasa con los materiales que no cristalizan?

¿Cómo reaccionan los polímeros amorfos como policarbonato, ABS y polisulfona a la velocidad de enfriamiento más rápida asociada a una temperatura más baja del molde?

Optimización del proceso de moldeo para mejorar la resistencia al impacto

Un estudio realizado en ABS hace algunos años ofrece algunas ideas sobre esta cuestión. El gráfico adjunto muestra los resultados de este estudio; una evaluación del efecto de las temperaturas del molde y fusión en la resistencia al impacto de muestras de prueba moldeadas a partir de un grado particular del polímero.

El ABS se considera generalmente un material bastante resistente, y los materiales de esta clase suelen producir energías de caída del dardo en el rango de los 30-40 nanómetros (22-30 pies-libra) y exhiben un modo de fractura dúctil. Sin embargo, tenga en cuenta que cuando las muestras fueron preparadas en un molde a una temperatura relativamente baja de 29° C (84° F), la energía requerida para romper a las muestras de prueba era solamente 1.5 nanómetro (1,1 pie-libra), un valor asociado a un material muy frágil.

La alteración de la temperatura de fusión a través de una gama bastante amplia de 218° C (425° F) y 274° C (525° F) no cambia de manera apreciable este resultado. Sin embargo, cuando la temperatura del molde se incrementó, la resistencia al impacto mejoró drásticamente.

Con la temperatura del molde a 85° C (185° F), la resistencia al impacto mejoró a 30 nanómetros (22 pie-libra) con la temperatura de fusión ajustada en el extremo superior de la gama experimental. Esta mejora es atribuible a la menor diferencia en velocidad de enfriamiento entre el material de la superficie y el material del núcleo, junto con una reducción en el espesor de la capa orientada del material. Ambos factores reducen el nivel de esfuerzos en el molde en la pieza, lo que la da más capacidad de manejar un esfuerzo aplicado externamente.

La respuesta natural de la mayoría de procesadores, cuando se les presentan estos datos, es protestar porque el tiempo de ciclo será más largo si se aumenta la temperatura del molde. Sin embargo, esta objeción puede contestarse observando lo que ocurre cuando se reduce la temperatura de fusión.

Temperaturas de fusión bajas

Aunque bajar la temperatura de fusión tuvo poco o ningún efecto sobre el rendimiento de la pieza cuando el molde estaba frío, el mismo ajuste produjo una mejora adicional en la resistencia al impacto cuando se incrementó la temperatura del molde.

Los mejores resultados, la resistencia al impacto de 48 Nm (35 pies-libra), se lograron con la temperatura de fusión más baja y la temperatura del molde más alta. Al reducir la temperatura de fusión, la temperatura mayor del molde puede manejarse sin cambiar el tiempo de ciclo.

En primer lugar, la mejor manera de eliminar rápidamente el calor es no introducirlo. La temperatura de fusión más baja también reduce el riesgo de degradación del polímero. Este comportamiento puede ser verificado mediante el uso de otra medida de esfuerzo en el molde, la resistencia al agrietamiento por esfuerzo.

Cuando se moldearon algunas piezas de PC claro con una temperatura de fusión relativamente alta de 321° C (610° F) y una baja temperatura de molde de 24° C (75° F), se observó que las piezas desarrollaron grietas cuando estaban en contacto con aceite de oliva. De hecho, las piezas moldeadas en estas condiciones desarrollaban grietas espontáneamente incluso sin la exposición al aceite de oliva si se dejaba que pasara el tiempo suficiente después de que las piezas fueran producidas.

Cuando la temperatura del molde se elevó a 105° C (221° F) y la temperatura de fusión se redujo a 277° C (530° F) se eliminó el agrietamiento por esfuerzo sin alargar el tiempo de ciclo.

La superficie de la pieza también tenía un aspecto mejor porque la mayor temperatura del molde retrasó la velocidad a la que el material de la superficie se solidificaba. Estos son resultados anecdóticos, y en el mundo de los plásticos, todos tienen una buena historia o dos. Pero esto no tiene nada que ver con la ciencia.

En nuestro próximo artículo, profundizaremos en los principios fundamentales detrás de estas mejoras y los traduciremos a las condiciones de proceso que garantizan un rendimiento óptimo de la pieza moldeada.