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REGLAJE CON ENFOQUE SMED Y RIGIDEZ PARA UN MOLDE DE INYECCION Universidad Nacional de Colombia Faculta de ingeniería Ingeniería de manufactura Einer Federico Cante Prieto – 234871 Juan Sebastian Perdomo Becerra – 234933 Resumen – En el siguiente informe consigna la realización de un ejercicio práctico de SMED en diferentes tipos de moldes usados en la industria a partir de una investigación del proceso de uso de moldes. Debido a que en la actualidad es necesario disminuir tiempos muertos ya que estos representan costos y pérdidas que resultan en un aumento del precio del producto y una dificultad grave en la competencia de mercado I.

SMED

obtiene una pieza libre de defectos de la siguiente serie.

El SMED es un acrónimo en lengua inglesa Single Minute Exchange of Die, que significa cambio de troqueles en menos de diez minutos. El SMED se desarrolló originalmente para mejorar los cambios de troquel de las prensas, pero sus principios y metodología se aplican a las preparaciones de toda clase de máquinas. Esta herramienta consiste en reducir drásticamente los tiempo en la producción cuando se hace cambios de herramientas para que los costos por producto disminuyan, esta solución permite que en la mayoría de las empresas donde el cambio de una herramienta genere pérdidas por tiempos muertos que al ser calculados para un intervalo de tiempo llegan a ser altos en comparación con el tiempo que se demora la maquina en producir la pieza, aumentando los costos de producción de esta El tiempo de cambio de una serie u orden de fabricación comienza cuando se acaba la última pieza de una serie y termina cuando se

Dentro de este periodo, las operaciones que se realizan con la máquina parada se denominan internas y aquellas que se realizan mientras la máquina produce piezas buenas se denominan externas. Será más fácil recordarlo en términos de la siguiente ecuación:

Ilustración 1 Esquema SMED

II.

Moldes Un molde es una pieza, o un conjunto de piezas acopladas, interiormente huecas pero con los detalles e improntas exteriores del futuro sólido que se desea obtener.

Hay moldes rígidos y flexibles; los moldes dependen de la forma de la pieza a seriar, determinado por el grado de complejidad de los detalles y la simetría de esta, siendo importante facilitar el desmolde que debe ser lo más preciso posible; hay moldes de una pieza, dos piezas o hasta cinco o más si fuera necesario. Generalmente, un molde flexible (látex) se monta con un contramolde rígido o «madre» que sujete la forma evitando su deformación (yeso). La ventaja de los moldes flexibles es permitir su desmolde con más delicadeza, procurando un mejor resultado de la pieza; además, es más liviano y duradero Uno de los proceso más utilizados actualmente es el moldeo por inyección es un proceso semicontinuo que consiste en inyectar un polímero, cerámico o un metal1 en estado fundido (o ahulado) en un molde cerrado a presión y frío, a través de un orificio pequeño llamado compuerta. En ese molde el material se solidifica, comenzando a cristalizar en polímeros semicristalinos.

Ilustración 2 Molde de inyección

El moldeo por inyección es una técnica muy popular para la fabricación de artículos muy diferentes. Sólo en los Estados Unidos, la industria del plástico ha crecido a una tasa de 12 % anual durante los últimos 25 años, y el principal proceso de transformación de plástico es el moldeo por inyección, seguido del de extrusión. Un ejemplo de productos fabricados por esta técnica son los famosos bloques interconectables LEGO y juguetes Playmobil, así como una gran cantidad de componentes de automóviles, componentes para aviones y naves espaciales.

La pieza o parte final se obtiene al abrir el molde y sacar de la cavidad la pieza moldeada.

Ilustración 3 Molde botella de Coca-Cola

III.

Cambio de molde en una inyectora de PET/ Primera cara El primer ejemplo práctico que realizamos con este enfoque SMED fue el hecho del cambio de molde de una inyectora de Pet. Tomando como referencia una máquina inyectora de PET de tamaño mediano como la figura que es un modelo Lien Yu Serie D de la empresa TAIMEX, además también se pueden observar las partes en las que se divide y los sistemas principales, esta máquina tiene como función inyectar a una temperatura de fusión de un polímero que en este caso es el PET por medio de un husillo hasta una cavidad por medio de una fuerza hidráulica haciendo que tome la forma interna del molde y luego de enfriarse , se abrirá con una fuerza neumática , por lo general estas máquinas tienen un sistema de refrigeración para que el molde pueda permitir que los tiempos necesarios para que el material se solidifique sean los óptimos para obtener una pieza de buena calidad

Ilustración 5 Elementos internos de máquina de inyección de PET

Para la actividad se tomara un molde de inyección de PET para fabricar las tapas para envases de líquidos, el molde 1 consiste en un tamaño de tapa para envase de gaseosa y el molde 2 es para tapas de frascos de café, el molde consiste en una placa fija que es la que está sujeta a la cavidad del husillo y la placa móvil que permite que luego de enfriarse la pieza esta pueda salir del molde de forma automática, para permitir que se convierta en un ciclo de producción

Ilustración 4 Elementos externos de la máquina de inyección PET Ilustración 6 Placa de sujeción



Método aplicativo de SMED

Paso 1: Observar y clasificación de operaciones. Al observar la operación de cambio de molde en una inyectora de PET,

la básica tiene un sistema de sujeción de molde por medio de unas mordazas con perno que no presentan una guía aumentando el tiempo requerido para el ajuste del nuevo molde que se quiera usar, en cuanto al almacenaje del molde se debe hacer varios desplazamientos para dejar el anterior y tomar el nuevo molde para la máquina, para clasificar los procedimientos en que se divide la operación se tiene en cuenta que se debe usar la tipología interna para indicar los procesos que se hacen con la máquina parada y con la tipología externa los que se pueden hacer con la maquina encendida.

carro móvil de almacenaje para el molde y el segundo es usar una sujeción más tecnológica para el molde dentro de la máquina, ya que se notó que en estos son los procedimientos más relevantes para lograr que el tiempo se disminuya , según lo planteado ahora solo se requiere la cuarta parte del tiempo original para que la maquina continúe con la producción de nuevas piezas

Paso2: Análisis de proceso actual en la máquina.

Ilustración 8 Esquema de tiempos después de aplicar SMED

De igual forma la tabla en la que se visualizan las actividades o tareas después de usar el método de SMED no se puede ver por lo que se presenta en el los anexos esta tabla pero como conclusión podemos observar que el cambio de una sola actividad o de un sistema de la maquina nos proporciona una clara reducción de los tiempos

Ilustración 7 Esquema de tiempos

Debido al tamaño de las operaciones que se registraron para el ejercicio de un cambio de molde no es posible mostrarlo en el informe por lo que se adjunta en el Anexo 1 Paso 3: Proponer alternativas para mejorar tiempos Para disminuir el tiempo en que la maquina debe permanecer detenida para ser usada en la producción de las piezas se hicieron dos cambios en cuanto a la operación de cambio de molde, el primero es usar un

IV.

Sistemas y mecanismos de disminución de tiempos para moldes de inyección Algunas técnicas que se utilizan para la mejora de la preparación de los moldes son:



El ajustar la mitad de las mordazas en las dos partes principales del molde permite que se puede ajustar a la





maquina cuando se esté nivelando, permitiendo que al ajustarlo completo se requiera menos tiempo. El tener parametrizado las condiciones de la maquina en cuanto velocidad del tornillo extrusor y temperaturas de la resistencias permite que la calibración de la máquina para que produzca las piezas en serie requiera menos tiempo. Realizar o adelantar algunas operaciones antes de apagar la maquina por lo que se ahorran tiempo y plata

Una herramienta que ayuda muchísimo es el uso de mesas que permiten el transporte de herramientas de moldes y demás instrumental que se necesitan algunas soluciones enfocadas a este aspecto son: 

Las mesas fijas para uno o varios moldes. Permiten una carga lateral económica y segura de los moldes. Bien por tracción o bien por rodillos motorizados en caso de moldes de mayor tamaño. Las mesas entre máquinas, con carga bidireccional puede dar servicio a dos máquinas proporcionando una gran flexibilidad. Colocando una a cada lado de la máquina, la introducción del nuevo molde y la descarga del anterior se puede realizar en un movimiento simultáneo reduciendo los tiempos de preparación.



Carros guiados por raíles constituyes un sistema de transporte rápido y automatizado entre el almacén de moldes y las máquinas. Las máquinas se posicionan a lo largo de la línea de raíles al igual

que el almacén de moldes y/o una estación de precalentamiento. 

Carros móviles de transporte proporcionan la máxima flexibilidad para todo el parque de máquinas, utilizándose tanto para el cambio de moldes como para el transporte. Con su libertad de movimientos pueden acoplarse a todo tipo de máquina independientemente de su orientación dentro del trazado de la producción. Este tipo de mesas permite una carga lateral y segura de los moldes. Su funcionamiento es manual para cargar moldes por medio de una mesa de rodillos, otras opciones que se pueden encontrar en el mercado son unas mesas automatizadas que medio de un control electrónico se puede deslizar por un espacio y mover los moldes en diferentes máquinas, la empresa Stäubli ofrece unos carros de almacenaje de moldes que pueden programados para operar con diferentes tipos de máquinas y tipos de moldes en una célula de producción.

Ilustración 9 Mesa de almacenaje sencilla

200°C y no requiere conexiones extras en cuanto a hidraulicas o electricas para ser implementado en una maquina inyectora.

Ilustración 10 Mesa de almacenaje automatizada

Ilustración 12 Sistema de sujeción mecánica



Ilustración 11 Carro móvil – catalogo Staubli

Una de las herramientas o elementos más importante en el proceso de inyección de plásticos y que disminuye en gran medida los tiempos de montaje son las de sujeción ya que son en las que más se emplea tiempo, debido a que se desean evitar errores de montaje a toda costa debido a que estos causan grandes pérdidas de diferente índole 

Sujecion Mecanica. Este sistema funciona por medio de la sujecion de engranajes que sujetan mecanicamente las boquillas de la parte fija y de la parte movil del molde , accionandolo por medio de una palanca , Staubli ofrece este modelo para cualquier tipo de molde que tengan un tamaño maximo de 200 toneladas, soporta temperaturas de hasta

Sujeción Hidráulica. Este sistema tiene un grado de automatizacion del proceso de cambio de molde , ya que su funcionamiento es por medio de una fuerza hidraulica que permite que el dispositivo de sujecion tome el molde y lo mantenga esn su posicion de una cuña , esta placa de sujecion lleva 4 de estos dispositivos , la temperatura maxima de trabajo debe ser de 80°C , en algunas maquinas este sistema puede ser instalado con una conexión externa a la de la maquina.

V.

Ilustración 13 Sistema de sujeción hidráulica



Sujeción magnetica. Este innovador sistema permite una automatizacion mayor en el proceso de cambio de molde ya que funciona por medio de un control electronico , sujeta el molde por medio de la generacion de un campo magnetico generado por los polos en la placa para ser implementado en una maquina de inyeccion requiere una conexión electrica , actualmente es la mejor opcion ps permite que la variedad de moldes que se puedan montar sobre esta no se limiten a particularidades como su tamaño.

Fijación Y Sujeción De Moldes De Inyección / Segunda cara de SMED El método de SMED tiene dos cara o enfoques el primero fue el descrito anteriormente que es el encargado de la reducción de tiempos muertos y la optimización del tiempo cuando la maquina esta parada, por otro lado el segundo enfoque de SMED es aquel que se en encarga de errores de fijación, sujeción y de montaje que su objetivo es verificar la calidad del producto echo o se puede ver desde el punto de vista como la calidad del molde procedente de la manufactura de este La calidad, de la que hablamos es de tipo geométrico tanto del producto terminado como del molde en que se realiza, en el campo real se tienen determinadas las tolerancias adecuadas o aceptadas para la empresa en las cuales el producto es aceptable Es importante tener en cuenta los parámetros para el diseño de un molde de inyección debido a que por un mal diseño nunca vamos a poder obtener la calidad geométrica deseada, algunos de los puntos a tener en cuenta para el diseño de moldes de inyección de plásticos son:  

Ilustración magnética

14

Sistema

de

sujeción

Tener claro la pieza que se desea obtener Angulo de extracción. Al tener preparado el molde es necesario abrirlo en 2 o más partes para poder extraer el modelo, para lo cual es necesario que este tenga en todas sus caras normales a la línea de partición, una inclinación que permita su

extracción fácilmente y no pegarse en este o en casos llegar a demorarse que son tiempos perdidos

Ilustración extracción





  

15

Esquema

ángulo

de

Formas que faciliten el modelo. Al diseñar las formas de moldes se deben prever que el modelo se facilite. Esto en ocasiones implica que la forma del modelo no sea semejante a la pieza que se desea obtener Calculo de las dimensiones de un modelo .Tener en cuenta calidad del material que se va a inyectar, contracción de este , presión y temperatura que se van a utilizar en el proceso Sistema de inyección y expulsión Refrigeración Salida de gases

En los anexos se muestra una lista de piezas que tiene un molde de inyección real para una pieza no muy complicada para tener en cuenta la complejidad del diseño de este tipo de moldes A continuación se muestra las principales partes del sistema de molde de inyección

Ilustración 16 Piezas de molde de inyección

 Ejercicio de fijación y reglaje para tapa en molde de inyección Después de tener en cuenta los aspectos descritos anteriormente decidimos hacer el ejercicio de reglajes con dos casos diferentes en moldes de inyección, el primero de ellos para la pieza o producto final y la segunda para la manufactura del molde Para estos dos casos decidimos obtener el modelado del todo el sistema de inyección por elaborado en el software solidworks , teniendo en cuenta que el material del molde es de acero p20

Ilustración 17 Explosionado del molde

Ilustración 20 Vista de corte en ensamble completo

Ilustración 21 Vista superior placa del molde móvil

Ilustración 18 Explosionado del todo el sistema

Ilustración 22 Vista superior placa molde fija

Ilustración 19 Molde cerrado

Es pertinente mostrar que el molde que se diseñó para el ejercicio agregamos elementos que nos ayudan a una mejor fijación, ajuste y ensamblabilidad de este, el primer elementos son las curvaturas en forma de macho que pertenece a una cavidad y las hembras de la otra que permite un ajuste optimo y un menor degaste al aplicar la fuerza de cierre

Ilustración 23 vista frontal de las dos placas

De esta forma vemos que es fácil el montaje de las dos placas e impide el movimiento lateral por las muescas que se ve en la ilustración 19. Otro elemento que evita errores de fijación son las guías y tornillos que se muestran a continuación en la siguiente figura, debido a que disminuyen el error de montaje de mala sujeción que se resume en que la pieza final obtenida no es de la calidad deseada

Ilustración 24 Elementos de fijación y de ajuste

Para el cálculo de la fuerza de cierre se utiliza al aplicar la formula

Fe= A X Pi Ecuación 1, fuerza de cierre Donde: Fe, Fuerza de cierre (Kg) A, Área proyectada perpendicularmente sobre el plano de apertura del molde

El área se calcula con el número de cavidades multiplicadas por su área proyecta más la proyección del área de los canales, pero en este caso aprovecharemos las herramientas computacionales del software CAD para determinar el área que nos da 3045.5mm2 (305 cm2)

Ilustración 25 Área total proyectada

La Presión interior específica, depende de muchos factores:       

fuerza de inyección pero comparada con la fuerza de cierra representa menos de un 5% por lo que la despreciaremos para la simulación Alguna de las maquinas que se pueden utilizar para este ejemplo son:

Espesor de pared Recorrido de fluencia Tipo de material Forma de la pieza Temperatura de la masa Temperatura del molde Sistemas de llenado

A partir de la siguiente gráfica y del espesor de pared que es de 1,5 mm y la relación que hay entre el largo de flujo de resina y el espesor de pared que es de 100:1 Ilustración 27 Ejemplos de inyectoras que se pueden utilizar

Ilustración 26 presión interna

grafica

para

determinar

Que obtenemos una presión alrededor de los 260 bar (265,13 Kg/cm2)

El resultado final de la fuerza de cierre es 80864.65kg aproximadamente unas 80 toneladas de fuerza pero debido a esto se recomienda que la maquina tenga un 20% más de capacidad por lo que se supone que la maquina debe tener alrededor de 96 toneladas de fuerza, se calculó la

Antes de realizar la simulación con las fuerzas ya calculadas primero queremos realzar y evaluar como el molde va a estar en contacto con el plástico inyectado a una temperatura de 225 °C queremos evaluar los desplazamientos que se tendrían en la placa molde, como es de suponer debido a la temperatura que esta molde y la temperatura final de 80°C a la que se desea llegar, el desplazamiento lo podemos llevar a 0

Ilustración 28 temperatura

desplazamientos

por

Para la primera simulación de los desplazamientos utilizamos o vimos solo la placa molde con las 4 guías de soporte en la que observamos que los desplazamientos con mayor magnitud son los que están en el centro por lo que en el diseño del molde se le adiciono la placa con soportes atornillados para poder disminuir el desplazamiento y tener mayores garantías de calidad geométrica

Ilustración 30 nuevas restricciones placa inferior

Además anexamos los planos de fabricación de las piezas más relevantes, debido a que estos planos son los que nos proporcionan la evaluación de la calidad geométrica teniendo en cuenta las tolerancias dadas Para el primer caso que es el del producto final es necesario tener en cuenta el sistema coordenada de la maquina o placa donde se soporta de la inyectora (azul) , de la placa de sujeción que puede ser por cualquier método explicado anteriormente (rojo) y de las placas del molde(verde)

Ilustración 29 simulación de deformación placa molde

Al restringirlo por medio de los tornillos y la placa de sujeción podemos ver como la deformación cambia

Ilustración 31 sistemas de coordenadas

Para este caso podemos llegar a errores de paralelismos y de perpendicularidad, de sujeción o mal ajuste para determinar adecuadamente esto es necesario realizar una matriz de coordenadas

entres los tres sistemas que intervienen ya descritos y los podemos ver en el esquema anterior Ahora Se desea analizar los errores de fijación que se encuentran cuando se mecaniza la cavidad para un molde de inyección en una maquina fresadora vertical, lo primero que se debe tener en cuenta es la relación de los ejes de la maquina con los ejes de la pieza:

Lo siguiente es sumar estos vectores y sacar su magnitud, al tener un vector propio para cada borde la pieza se forma la matriz rotacional la cual permitirá que las coordenadas para algún punto dentro de la pieza se puedan pasar a un valor absoluto permitiendo que la máquina y la pieza sean un solo sistema para el análisis de los esfuerzos y deformaciones que se generan por la acción de las fuerzas del husillo y de la sujeción que hacen sobre la pieza. Error por sujeción El error generado por la sujeción de la pieza a la maquina se debe a no impedir por medio de una prensa la restricciones de movimiento de los 3 ejes en cuanto a rotación y traslación de la pieza para evitar que se generen movimientos que producen piezas con imperfecciones.

Ilustración 32 Sistemas de coordenadas para cada componente

Alineación de ejes Para analizar los errores de fijación lo mejor es trasladar los ejes de la maquina a los de la pieza, para esto se usa el método de matriz transpuesta, lo primero que se debe hacer es ubicar el punto de origen sobre la máquina y obtener las coordenadas de los bordes de la pieza respecto a este eje, luego se plantea un punto de origen solo para la pieza y se sacan las coordenadas de sus bordes.

Ilustración 33 esquema de sujeción

La figura muestra el eje intermedio entre la máquina y la pieza que es una prensa de tornillo la cual debe sujetar de un buen punto de apoyo y una suficiente área, ya que el husillo de la fresadora genera un torque en la pieza que en algunos

casos por falta de buen agarre se presentan imperfectos en la pieza , las siguientes figuras presentan un ejemplo de cómo se debe escoger el apoyo para sujetar la pieza con la prensa pues de hacerlo mal la pieza en el momento de hacer contacto con el husillo se moverá permitiendo que se generen imperfecciones , se recomienda una sujeción paralela a la fuerza con la que se sujeta en la presan ya que al dejar espacio se producen esfuerzos torsionales que disminuyen la presión que deben hacer las mordazas de la prensa sobre la pieza

Ilustración 34 esquema de sujeción

Ilustración 35 segundo esquema de sujeción

Los efectos negativos que se presentan por el desequilibrio entre la herramienta y la pieza montada en el portaherramientas en:



La pieza mecanizada: generan fuerzas desfavorables para obtener tolerancias requeridas para su fabricación.



La máquina: Las fuerzas centrífugas del movimiento giratorio de la herramienta causan grandes tensiones internas en el husillo provocando un fallo prematuro de los rodamientos del mecanismo, otro efecto está relacionado con la reducción de la vida de la herramienta de corte en un 50% menos respecto al uso de un sistema equilibrado.

Los efectos de deformación de la pieza que se generan por las fuerzas que el husillo hace sobre este son de deformaciones estructurales que frente a las deformaciones superficiales en los puntos en contacto, este problema queda reducido a calcular la distribución de fuerzas entre los distintos puntos de contacto entre dos cuerpos. Habitualmente se conoce la fuerza total que dos cuerpos están ejerciendo entre sí, esta fuerza se distribuirá entre los distintos puntos de la línea de contacto de forma que la energía total de deformación elástica sea mínima. Para el ejemplo deseado se propuso analizar los posibles esfuerzos y generados por el torque del husillo sobre la pieza para 3 tipos de apoyo, el primer apoyo es tomar la pieza solo por la borde inferior, luego solo tomando el borde superior y por ultimo tomando la cara completa, se notó que esta última permite un mejor apoyo de la pieza sobre la maquina reduciendo las deformaciones que se generan por los esfuerzos al hacer contacto la herramienta con la pieza.

El programa que se usó para este análisis fue CATIA V5, se decidió aplicar fuerzas de apoyo sobre los extremos del eje X y aplicar el torque en el eje Z sobre uno de los círculos, ya que dependiendo de la cara sobre la cual se generara el torque esta dependía mucho de su distancia respecto al punto donde estaba el empotramiento.

indispensable la aplicación de ésta herramienta de manufactura esbelta, por las ventajas que SMED ofrece. La estandarización de un proceso de cambio de molde ayuda no solo ayuda a incrementar el OEE (Overall Equipment Effectiveness), sino también a tener una seguridad en el cumplimiento de la demanda requerida por el mercado, al reducir drásticamente los tiempos de entrega. De esta manera, se tiene la expectativa de cumplir con los niveles de inventarios de la empresa aplicando SMED.

Ilustración 36 soporte borde interior

Ilustración 38 soporte sobre la cara

Ilustración 37 soporte borde superior

VI. 

Conclusiones Una de las grandes ventajas de SMED es la facilidad de uso en cualquier tipo de maquinaria o proceso, debido a que se involucra al personal de experiencia y que cuenta con los conocimientos tanto básicos como avanzados de las máquinas y no es necesario, en la mayoría de los casos, el uso e fórmulas. En un proceso de moldeo en donde son muy pocas las máquinas que no se corran diferentes productos, es

VII.   

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