Ram贸n Cab贸s
El proceso de inyecci贸n SALVADOR PLANA
El proceso de inyección BIBLIOGRAFÍA •
Donald and Dominick V. Rosato. Injection Molding Handbook. Chapman & Hall. New York, 1995
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Friedrich Johannaber. Injection Molding Machines. A User’s Guide. Hanser, Münich, 1994
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Gerd Pötsch, Walter Michaeli. Injection Molding. An Introduction. Hanser, Münich, 1995
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Douglas M. Bryce. Plastics Injection Molding... Manufacturing process fundamentals. SME. Dearborn, 1996
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José Luis Arazo. Inyección de termoplásticos. Plastic Comunication. Barcelona, 1999
•
http://islnotes.cps.msu.edu/trp/inj (Intelligent University).
Salvador Plana
Systems
Laboratory.
Michigan
State
El proceso de inyección El proceso de inyección consiste en introducir en un molde bajo elevada presión un material plástico en estado fundido. En dicho molde que le dará la forma, se enfriará y posteriormente se extraerá la pieza conformada.
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Inyecci贸n de piezas de grandes dimensiones Microinyecci贸n
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PROCESO
HERRAMIENTAS
•
Molde
•
Máquina de inyección (inyectora)
•
Parámetros de inyección
•
Reología
•
Curvas pvT
•
Cristalinidad
Relación proceso estructura propiedades •
Tamaño
•
Longitud
•
Espesor
•
Complejidad
GEOMETRÍA El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
MATERIAL www.upc.es/ccp
HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
Plano de partición
Sistema de expulsión
EL MOLDE
HERRAMIENTAS
Sistema de atemperación
Cavidad
Sistema de alimentación Punto de inyección o entrada
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HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
Unidad de cierre
Molde
Unidad de inyección
• Calentar • Homogeneizar
LA MÁQUINA DE INYECCIÓN
HERRAMIENTAS
• Inyectar
Unidad de control
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FUERZA DE CIERRE
CÁLCULO DE LA FUERZA DE CIERRE El plástico se inyecta dentro del molde a alta presión (que puede ser incluso superior a los 2.000 bar). El molde debe realizar una fuerza opuesta a la presión de inyección para mantener el molde cerrado y obtener así piezas de buena calidad. La unidad de cierre proporciona la fuerza de cierre. Las máquinas de inyección se clasifican por su fuerza de cierre
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Dirección de cierre
Área proyectada
FUERZA DE CIERRE
Cálculo de la Fuerza de cierre Una forma de evaluarla es: - Calcular el recorrido de flujo (LF) - Calculo de la relación de flujo: relación entre la longitud de flujo y el espesor medio de las paredes a inyectar. - Coeficiente corrector KM en función del material a inyectar.
Coeficiente corrector KM KM = 1
para PA, PE, PS
KM = 1.5 para SAN, ABS, CA, POM SB KM = 2
para PC, PMMA, PPO, PVC
Cálculo de la presión media en el molde utilizando el siguiente diagrama La fuerza de ciere podrá estimarse como el producto de la presión media en el molde -obtenida en el gráfico-, por el área proyectada y por el coeficiente corrector KM. Además, como mínimo sumar un 10% a un 15% de margen de seguridad.
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FUERZA DE CIERRE
Cรกlculo de la Fuerza de cierre
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Selección de la máquina 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Fuerza de cierre necesaria Dimensiones físicas del molde (distancia entre columnas) Recorrido del plato móvil (para poder extraer la pieza) Volumen de material a inyectar Tiempo de residencia del plástico en el interior del husillo Precio
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HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
a) Cierre del molde
EL CICLO DE INYECCIÓN
PROCESO
b) Inyección y c) Mantenimiento
• Husillo • Punto de inyección d) Plastificación y e) Refrigeración
• Contrapresión • Calentar f) Apertura del • Homogeneizar molde y expulsión de la pieza
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ANILLO DE RETENCIÓN
Previene el reflujo de material durante las etapas de inyección y de mantenimiento.
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PROCESO
EL CICLO DE INYECCIÓN
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HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
f) Apertura y expulsión
a) Cierre
EL CICLO DE INYECCIÓN
PROCESO
Final
Inicio
b) Inyección
e) Refrigeración
c) Mantenimiento d) Plastificación
Tiempo
El tiempo de refrigeración es el que ocupa la mayor parte del ciclo de inyección
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Modelo de viscosidad
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Factores que afectan a la inyección 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Temperatura de inyección Velocidad de giro del husillo Contrapresión Temperatura de molde (tiempo de ciclo) Presión de inyección Presión de mantenimiento
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TEMPERATURA DE INYECCIÓN
Una de las misiones de la unidad de inyección es la plastificación del material. Por tanto ha de calentar el material para “fundirlo” y homogeneizarlo. Si es demasiado baja el plástico será demasiado viscoso y si es muy alta se puede degradar y aumenta el tiempo de ciclo. Materiales más viscosos requerirán de una temperatura de transformación mayor pues costará más de plastificarlos La temperatura del plástico es diferente a la temperatura que marca la sonda de temperatura. Lo ideal es medir la temperatura del plástico fundido a la salida de la unidad de inyección con un pirómetro. Asegurarse que los sensores de temperatura midan correctamente (cuidado con las acumulaciones de aire, suciedad o quemados entre las sondas y el cilindro). Una temperatura de inyección más baja proporciona: •Ahorro de energía •Menor tiempo de ciclo Tiempo de residencia.
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VELOCIDAD DE GIRO
La plastificación no debe prolongar el ciclo: la velocidad de giro ideal es aquella que produce la plastificación en el último punto posible sin necesidad de alargar el tiempo de ciclo. Una velocidad de giro excesiva empeora la calidad de la plastificación: • generando la presencia de infundidos • mala homogeneidad del material • puede provocar excesiva cizalla y degradar parte del material
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Un aumento de la contrapresión implica: -Un incremento del tiempo de plastificación y del tiempo bajo cizalla -Un incremento de la temperatura del plástico
CONTRAPRESIÓN
-Un aumento de la compresión del material y, por tanto, de la cantidad de material a inyectar Una contrapresión baja implica: -Poca homogenización del material y piezas inconsistentes Utilizar una contrapresión más alta si se utiliza un porcentaje elevado de la capacidad de inyección de la máquina o en el caso de ciclos cortos.
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TEMPERATURA DEL MOLDE
El suministrador de la granza sugiere una temperatura de molde óptima. La temperatura media de la cavidad será mayor que la temperatura del refrigerante durante la producción, en general 10 a 20ºC. Si supera los 40ºC puede ser necesaria la utilización de placas aislantes en el molde para ahorrar energía y estabilizar el proceso.
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Curvas de temperatura-tiempo en diferentes lugares del molde: a) superficie de la cavidad b) Pared del canal del refrigerante c) Temperatura del refrigerante
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TEMPERATURA DEL MOLDE
Una temperatura de molde más fría da lugar a una velocidad de enfriamiento mayor y, por tanto, un mayor porcentaje de capa fría. Una diferencia de temperaturas entre caras opuestas superior a 10-15º para obtener buenas tolerancias. Una capa de aire puede impedir una buena transferencia de calor. Cuidado con las separaciones entre insertos y placas de los moldes. Un largo tiempo de uso del molde puede dar lugar a que los canales se ensucien por óxidos o incrustaciones disminuyendo la pérdida de carga y la capacidad de atemperación del molde. Una temperatura de molde más baja disminuye el tiempo de ciclo Una temperatura de molde mayor aumenta el brillo y el acabado superficial
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TIEMPO DE CICLO El proceso de inyecci贸n. A.Gordillo (2005)
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HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
0
0
5
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
15
Tiempo (s)
Expulsión
Mantenimiento de la presión Solidificación de la entrada
100
Interior de la cavidad Entrada
Refrigeración Llenado
200
Cierre del molde y llenado de la colada
Temperatura (°C)
EL CICLO DE INYECCIÓN
PROCESO
Evolución de la temperatura durante el ciclo de inyección
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HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
Tiempo de ciclo
0
0
5
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
15
Tiempo (s)
Expulsión
Solidificación de la entrada
Mantenimiento de la presión
25
Tiempo de molde cerrado Refrigeración
Llenado
50
Cierre del molde y llenado de la colada
Presión en la cavidad (MPa)
EL CICLO DE INYECCIÓN
PROCESO
Evolución de la presión durante el ciclo de inyección
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HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
2
3
4
5
Temperatua (ºC)
EL CICLO DE INYECCIÓN
PROCESO
Presión en la cavidad (MPa)
1
Interior de la cavidad Entrada
1
Cierre del molde y llenado de la colada
2
Llenado
3
Mantenimiento de la presión. Solidificación de la entrada Expulsión
4 0
5
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
15
Tiempo (s)
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HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
Factores que afectan a la presión de llenado ¾ Viscosidad del material:
¾ Geometría del molde y decargas, la pieza Tipo de material: fluidez, etc... 70 deldel Geometría Temperatura punto molde de inyección
Presión de llenado (MPa)
EL CICLO DE INYECCIÓN
PROCESO
Geometría Temperatura de la inyección colada. Colada ¾ Velocidad dedeinyección. Perfil caliente/fría de velocidades. Geometría de la pieza: espesor, longitud. Complejidad
Poliamida sin carga inyectada a 270ºC
50
Poliamida sin carga inyectada a 290ºC
30
Poliamida con carga de vidrio inyectada a 290ºC
10 0
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
5
10
Tiempo (s)
15
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HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
Factores que afectan a la presión de llenado
Presión de llenado (MPa)
EL CICLO DE INYECCIÓN
PROCESO
La fase de llenado se ha de considerar claramente como no isoterma. Existe una capa fría cerca de la pared del molde que se va desarrollando en función del tiempo. Así, la sección transversal al flujo cambia con el tiempo. Existe un calentamiento viscoso y enfriamiento en la pared del molde. Frente de avance en forma de Flujo Fuente 70
Poliamida sin carga inyectada a 270ºC
50
Poliamida sin carga inyectada a 290ºC
30
Poliamida con carga de vidrio inyectada a 290ºC
10 0
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
5
10
Tiempo (s)
15
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HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
Flujo Fuente
EL CICLO DE INYECCIÓN
PROCESO
Pared molde
El flujo que existe durante el moldeo por inyección es complicado porque el plástico se enfría y solidifica durante el proceso de llenado. El perfil de llenado no es una típica parábola porque el polímero cercano de la pared fría del molde solidifica formando una piel entre el molde y el núcleo.
Estirado y orientado del material
P Capa solidificada
Frente de avance del fluido
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
Pared molde www.upc.es/ccp
HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
EL CICLO DE INYECCIÓN
PROCESO
Capa Fría y Estructura Piel-Núcleo Otro aspecto a considerar es el efecto de la superficie de enfriamiento sobre la microestructura. La capa cercana a la pared del molde se enfría rápidamente (capa fría). Este rápido enfriamiento de la piel inducirá características amorfas, mientras que el núcleo, que se enfría mucho más lentamente dando lugar a un núcleo más cristalino. Este enfriamiento anisotrópico puede presentar un problema cuando se desean propiedades isotrópicas.
Estructura piel-núcleo Entrada
Flujo en el núcleo Piel fría
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
Tesis doctoral de Hans Ziudema. Univ. Tech. Eindhoven. 2000
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HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
Efecto del flujo sobre la orientación de las fibras
EL CICLO DE INYECCIÓN
PROCESO
El gran impacto del flujo fuente en la inyección está en la forma en que se induce la orientación de las fibras en la pared.
Hay dos consideraciones básicas para la orientación inducida por el flujo: El flujo de cizalla que alinea las fibras en dirección del flujo. El flujo estira y alinea las fibra en dirección del estiramiento
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
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HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
τ = F Tensión de cizalla S
Viscosidad VISCOSIDAD
MATERIAL
v
τ η= . γ
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
. δv γ= δy
y
τ
Velocidad de deformación
Newtoniano Pseudoplástico η γ www.upc.es/ccp
τ
HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
Newtoniano
η
Pseudoplástico
↑p
η
↑T γ
Modelo de viscosidad
VISCOSIDAD
MATERIAL
Viscosidad
. γ
τ η= . γ
η
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
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HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
Material amorfo
Material semicristalino
v
v
↑p
Curvas pvT
MATERIAL
↑p
Tg
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
T
Tg
Tf
T
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HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
Enfriamiento rápido
Volumen específico v
ESPESOR
GEOMETRÍA
Enfriamiento lento
Temperatura T
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
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HERRAMIENTAS
PROCESO
GEOMETRÍA
MATERIAL
v
Rechupes
T
Enfriamiento rápido
ESPESOR
GEOMETRÍA
Vacuolas
Enfriamiento lento
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
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HERRAMIENTAS
MATERIAL
PROCESO
v
0
p1
0-1 Inyección 1-2 Mantenimiento
p2
Contracción
RELACIÓN PROCESOESTRUCTURA-PROPIEDADES
GEOMETRÍA
1
3
5
4
TAMBIENTE TEXPULSIÓN
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
2
2-4 Refrigeración 4-5 Enfriamiento fuera del molde
p3
T
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GEOMETRÍA
HERRAMIENTAS
MATERIAL
PROCESO
RELACIÓN PROCESOESTRUCTURA-PROPIEDADES
• Tipo de material
v
• Amorfo • Semicristalino • Cargas y refuerzos
C
TAMB
Amorfo
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
Semicristalino
TEXP
T
Con carga mineral
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GEOMETRÍA
HERRAMIENTAS
MATERIAL
PROCESO
RELACIÓN PROCESOESTRUCTURA-PROPIEDADES
• Tipo de material
v
0-1 Inyección
0
• Amorfo
1-2 Mantenimiento
• Semicristalino
2-4 Refrigeración
• Cargas y refuerzos
4-5 Enfriamiento fuera del molde
• Proceso • Presión
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
5
4
1 3
2
p1
p2
p3
3
TAMBIENTE TEXPULSIÓN
T
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GEOMETRÍA
HERRAMIENTAS
MATERIAL
PROCESO
• Amorfo • Semicristalino • Cargas y refuerzos
• Proceso
v
RELACIÓN PROCESOESTRUCTURA-PROPIEDADES
• Tipo de material
• Presión • Temperaturas de inyección y del molde
• Geometría de la pieza • Espesor, complejidad
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
T
Enfriamiento rápido Enfriamiento lento www.upc.es/ccp
GEOMETRÍA
HERRAMIENTAS
MATERIAL
PROCESO
RELACIÓN PROCESOESTRUCTURA-PROPIEDADES
• Tipo de material • Amorfo • Semicristalino
Estructura piel-núcleo
• Cargas y refuerzos
• Proceso • Presión • Temperaturas de inyección y del molde
• Geometría de la pieza • Espesor, complejidad • Longitud de flujo
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
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GEOMETRÍA
HERRAMIENTAS
MATERIAL
PROCESO
Degradación térmica Temperatura
RELACIÓN PROCESOESTRUCTURA-PROPIEDADES
Ventana de proceso
Rebabas Piezas faltadas
El proceso de inyección. A.Gordillo (2005)
Problemas de fusión y plastificación Presión www.upc.es/ccp