Parámetros de proceso en moldeo por inyección

Hace unos años, una empresa en la zona de Los Ángeles me pidió que hiciera una demostración de mi software de desarrollo de procesos, Nautilus. El propietario/presidente de la empresa fue informado por su cliente de que debía ver el programa como una forma de ayudar a su desarrollo de procesos. Estaba muy molesto.

Entré en la sala de conferencias y lo primero que dijo, incluso antes de saludar, fue: “¿Por qué debería comprar su software, cuando he desarrollado procesos durante años sin ninguna herramienta y he tenido un negocio exitoso?”.

Le contesté tranquilamente: “¡Tienes toda la razón! Has llevado un negocio de éxito, pero podrías haber llevado un negocio aún más exitoso y rentable”, lo que volvió a irritarle. Siempre predico con el ejemplo, así que, aunque solo pensaba estar allí una hora más o menos, me pasé el resto del día (sin costo alguno).

Escogí uno de sus moldes de cuatro cavidades en producción, reduje el tiempo de ciclo de 32 a 26 segundos (una disminución del 16 %), a la vez que simplificaba su frecuencia de inspección y desarrollaba un proceso robusto que podía trabajar “para siempre” sin cambios en el proceso.

Con el debido respeto a todo el personal de procesamiento de nuestra industria, el mayor error que he visto es intentar moldear las piezas según las especificaciones durante el primer ensayo de molde, sea en su planta de producción o en las instalaciones del moldeador. El primer ensayo debe centrarse en dos aspectos principales.

En primer lugar, ¿se ha diseñado y construido el molde de tal manera que el proceso no requiera ajustes o una vigilancia continua? Una vez que el molde está en máquina produciendo, nunca debería ser necesario un técnico de proceso hasta, quizá, el final del lote. El segundo aspecto es comprobar si la calidad del producto está dentro de los límites de las especificaciones y si el proceso tendrá que ajustarse constantemente para mantener la calidad del producto. Por ejemplo, ¿se necesitarán cambios en el proceso cuando se pase del turno de día al de noche o si la puerta del taller está abierta?

Creando un proceso robusto: parámetros del proceso de inyección

Un proceso robusto es aquel que produce piezas dentro de las especificaciones de calidad requeridas sin ningún cambio en los parámetros del proceso a lo largo de todo el lote de producción.

El objetivo del desarrollo del proceso debe ser conseguirlo. Al empezar mis seminarios pregunto a los asistentes: “Si les pido que manejen un coche durante 5 horas sin paradas y con el control de crucero ajustado a 130 km/h, ¿prefieren una vía al borde del acantilado o una autopista de carriles anchos?”. La audiencia siempre encuentra que la respuesta es obvia.

Fig. 1. Los 11+2 parámetros del proceso de inyección.

Cuando viajas en una carretera al borde de un acantilado, una pequeña distracción o un ligero error puede ser fatal, pero si conduces por una carretera ancha puedes permitirte un breve desvío de atención para ajustar la temperatura del interior del coche, seleccionar una emisora de radio o beber un sorbo de agua.

En términos sencillos, eso es robustez. El proceso debe ser capaz de amortiguar cualquier variación natural y seguir la producción de piezas dentro de las especificaciones. Las variaciones naturales siempre estarán presentes en todos los procesos, tanto si se trata de conducir al trabajo desde casa, como en el proceso de moldeo o de la formación de cristales de hielo. El objetivo debe ser minimizar la variación, pues nunca puede eliminarse.

Un proceso de moldeo debe ser capaz de funcionar en control crucero y debe ser robusto.

¿De dónde procede la variación en el proceso de inyección? A gran escala, la variación puede provenir de la máquina, el plástico, el entorno, los sistemas de medición, el personal y el mismo proceso. Podría haber algunos más, pero estos son los principales contribuyentes.

Como procesadores que tenemos un molde en la máquina y necesitamos desarrollar un proceso de moldeo, tenemos que centrarnos en el proceso. Pero antes debemos entender y evaluar la máquina, los materiales y otros insumos para garantizar que todos ellos funcionen adecuadamente con la menor variación posible.

Esto es lo que llamo los 11+2 parámetros del proceso que influirán en la calidad de la pieza (Fig. 1). Si las fases de empaquetado y sostenimiento están separadas, entonces hay 13 parámetros, pero en algunos casos no están separadas y ahí tenemos 11 parámetros.

Cómo ajustar los parámetros para una ventana cosmética de proceso eficiente

Estos parámetros se convierten ahora en una fuente de variación para la calidad de las piezas y, por lo tanto, tenemos que encontrar sus ajustes óptimos en donde el proceso pueda ser robusto. Necesitamos hallar un carril ancho para cada parámetro, de modo que al final tengamos un proceso que también moldee piezas en una autopista de carril ancho. Los procesadores suelen utilizar las técnicas de Moldeo Científico para el desarrollo del proceso.

Prefiero utilizar la expresión Procesamiento científico, debido a que el proceso comienza cuando el pellet de plástico entra a la fábrica y se almacena, se seca y se transforma en una pieza; luego experimenta la contracción posterior al moldeo, se empaca y se envía a su destino final. Considero que el proceso es el viaje completo del pellet y tenemos que prestar atención a todos los aspectos. El moldeo científico es la actividad del desarrollo del proceso que realizamos en la máquina (Fig. 2).

He dividido mi actividad de desarrollo de procesos en dos fases (Fig. 3). En la primera fase exploro cada uno de los 11+2 parámetros y encuentro el rango de ajustes en el que se pueden moldear piezas cosméticamente aceptables. Esto se llama Ventana Cosmética de Proceso (CPW).

Se puede relacionar la CPW con la búsqueda del ancho del carril de la autopista por el que se podría conducir el coche. Lo más importante es que no miro ninguna dimensión durante la fase 1. Todo el objetivo de la fase 1 es determinar: “¿Puedo tener un proceso robusto independiente de la dimensión?”.

Las dimensiones deben examinarse en la fase 2. Una vez que conozca los rangos (ventanas de proceso) en los que se pueden obtener piezas cosméticamente aceptables, se debe realizar un diseño de experimentos (DOE) para evaluar la relación entre las dimensiones y el rango de cada ajuste.

Por ejemplo, consideremos que por debajo de una presión de empaquetado o pospresión de 4000 psi (presión específica) las piezas salen incompletas, mientras que por encima de 9000 psi (presión específica), las piezas salen con rebaba. Por lo tanto, las piezas moldeadas entre 4000 y 9000 psi son cosméticamente aceptables y el ancho de la ventana de proceso es de 5000 psi.

La ventana dimensional de proceso y su relación con las técnicas de moldeo científico

Un DOE significaría tomar mediciones a presiones de 4000 y 9000 psi, y luego seleccionar una presión entre este rango para lograr las dimensiones requeridas. De hecho, puede tratarse de un rango y no de una sola presión.

Por ejemplo, podríamos conseguir las dimensiones requeridas entre 5500 y 6500 psi. Este rango se denomina ahora Ventana Dimensional de Proceso (DPW). Cuanto más amplia sea esta ventana, más robusto será su proceso.

Con una CPW de 4000 a 9000 psi, si la presión mínima requerida para moldear piezas que cumplan con la dimensión requerida es, por ejemplo, 4100 psi, entonces el proceso está ahora al borde del precipicio (Fig. 4).

Si se aumenta la presión, las piezas se saldrán de las especificaciones, y si se disminuye por debajo de 4000, las piezas saldrán incompletas. Se pueden moldear piezas aceptables siempre que la presión sea exactamente 4100 psi, sin variación. Pero sabemos que eso no es práctico en la producción y, por lo tanto, habrá un riesgo de disparos cortos y, o, piezas fuera de especificación que se mezclan con piezas aceptables. Siempre debemos evitar los procesos al borde del precipicio por razones obvias.

También conviene recordar que un inspector de calidad primero busca si la pieza es cosméticamente aceptable. Solo comprobará las dimensiones si no tiene defectos estéticos.

Entonces, ¿qué hacemos si la ventana dimensional (DPW) es pequeña y la única presión a la que podemos moldear las piezas con la dimensión requerida es de 4100 psi? Solo hay dos opciones si se quiere tener un proceso robusto. Yo elegiría el punto central de las presiones como proceso preferido. En este caso, sería 6500 psi.

Las dos opciones son cambiar las dimensiones del acero de la cavidad o cambiar las especificaciones de las dimensiones. También puede haber una combinación de las dos. En la mayoría de los casos, cambiar las especificaciones del producto no es una opción, por lo que tendremos que centrarnos en el acero. (Ingenieros de moldes, por favor continúen leyendo antes de formarse una opinión).

Un DOE no está condicionado a un solo parámetro del proceso, puede tener al menos de tres a cinco de los 11+2 que más influyen en la calidad de la pieza. Piense en el diagrama Presión-Volumen-Temperatura (PVT) para seleccionar estos factores.

Todos los cambios en las dimensiones del acero y, o, en las especificaciones del producto deben basarse en los datos y en el DOE. Los ingenieros de moldes deben recibir información numérica convincente basada en datos experimentales para realizar cambios en el acero del molde. La falta de esto ha sido la frustración de los ingenieros de molde. Hay que adelantar un estudio exhaustivo antes de realizar cualquier cambio en el acero. Quitar acero es fácil, añadirlo no tanto.

Dividir el proceso de moldeo en dos fases le ayudará a tomar decisiones basadas en datos que le llevarán a un proceso robusto que producirá constantemente piezas aceptables.

La ventana dimensional del proceso es siempre un subconjunto de la ventana cosmética del proceso; cuanto más amplia sea la ventana cosmética, mayores serán las posibilidades de una ventana dimensional más amplia y de un control de crucero más suave. He utilizado esta técnica con éxito durante los últimos 24 años en varias empresas. Las decisiones basadas en datos son la clave.