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• Andres Cristobal Aragon

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Máster Universitario en Ingeniería Avanzada de Fabricación

TECNOLOGÍAS DEL CONFORMADO DE POLÍMEROS Ficha Tema 10.- Consideraciones al diseño de componentes, moldes y matrices

Orientaciones para el estudio Con este tema se finaliza el estudio de la asignatura. Se presentan las principales consideraciones al diseño de componentes con materiales plásticos y al diseño de moldes y matrices. El planteamiento a emplear para el seguimiento y estudio de este tema será el siguiente: 

Lectura y estudio del Anexo I.



En este tema no se propone la realización de ningún tipo de actividad

ANEXO  I:  NOTAS  TOMADAS  DEL  CAPÍTULO  19  (págs.  572‐574)  DEL  LIBRO  MANUFACTURA,  INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA (5ª EDICIÓN) DE S. KALPAKJIAN Y S.R. SCHMID (Pearson Educación,  México D.F., 2008) 

Consideraciones de diseño    Las consideraciones de diseño en el conformado y moldeo de plásticos son similares a las de  los  procesos  de  fundición  de  materiales  metálicos.  Para  la  adecuada  selección  de  los  materiales se requiere tener en cuenta:   a.‐  requerimientos de servicio,   b.‐  posibles  efectos  de  largo  alcance  sobre  sus  propiedades  y  comportamiento  (como  estabilidad dimensional y desgaste)   c.‐  disposición y tratamiento final del producto después de su ciclo de vida.     A continuación se indican algunas consideraciones generales de diseño para la fabricación de  piezas de plástico y/o de materiales compuestos:  1. Los  procesos  de  conformado  de  plásticos  tienen  una  gran  flexibilidad  inherente  para  producir una amplia variedad de formas y tamaños de partes. Se pueden fabricar con  relativa facilidad piezas complejas con determinadas características internas y externas  y  a  velocidades  de  producción  altas.  Por  lo  tanto,  un  proceso  como  el  moldeo  por  inyección compite bien con la fundición por inyección, con los procesos de microfusión  y  con  la  fundición  en  molde  permanente,  los  cuales  son  capaces  de  producir  formas  complejas  con  paredes  delgadas.  Al  considerar  posibles  procesos  alternativos,  es  necesario tener en cuenta que los materiales y sus características son muy diferentes,  cada uno con sus propiedades específicas.  2. En  comparación  con  los  metales,  los  plásticos  tienen  mucha  menor  rigidez  y  resistencia.  Por  lo  tanto,  los  tamaños  y  las  formas  de  las  secciones  se  deben  seleccionar de manera apropiada. Dependiendo de la aplicación, se puede obtener un  alto módulo de resistencia transversal en base a los principios comunes de diseño para  vigas (por ejemplo empleando perfiles I o de doble T) y tubos. Las superficies grandes  y  planas  pueden  incrementar  sensiblemente  su  rigidez  por  medios  tan  simples  como  incorporar  curvaturas  en  algunas  de  sus  zonas.  Por  ejemplo,  obsérvese  la  relativamente  alta  rigidez  de  las  lamas  de  las  persianas  de  tipo  veneciana,  ya  que  aunque  son  bastante  delgadas  están  provistas  de  cierta  curvatura.  El  empleo  de  refuerzos geométricos o con fibras también resulta efectivo para lograr este objetivo  de incrementar la rigidez de las piezas delgadas.  3. Con  frecuencia,  la  forma  general  y  el  espesor  de  la  pieza  determinan  el  proceso  particular de conformado o moldeo a  emplear. Incluso después  de elegir  un  proceso  específico,  los  diseños  de  la  pieza  y  de  la  matriz  deben  ser  tales  que  no  presenten  dificultades  en  cuanto  a  la  generación  adecuada  de  la  forma  (fig.  19.31),  control  dimensional  y  acabado  superficial.  Debido  a  la  baja  rigidez  y  efectos  térmicos,  las  tolerancias dimensionales (en particular para los termoplásticos) no son tan pequeñas  como  en  los  procesos  de  conformado  de  metales.  Por  ejemplo,  las  tolerancias  dimensionales  son  mucho  más  pequeñas  en  el  moldeo  por  inyección  que  en  el  termoconformado.  Al  igual  que  en  la  fundición  de  metales  y  aleaciones,  en  los  procesos  de  conformado  de  polímeros  es  importante  controlar  el  flujo  de  material  dentro  de  las  cavidades  del  molde.  También  deben  considerarse  los  efectos  de  la  orientación    molecular  durante  el  procesamiento  del  polímero,  sobre  todo  en  la  extrusión, en el termoconformado y en el moldeo por soplado.  4. Para  conseguir  una  generación  adecuada  de  formas,  es  necesario  evitar  grandes  variaciones  de  secciones  transversales,  de  los  espesores  de  las  secciones,  así  como  cambios  bruscos  en  la  geometría.  Por  ejemplo,  obsérvese  que  las  marcas  de 

hundimiento  (rechupes)  que  aparecen  en  la  pieza  superior  de  la  Figura  19.31c  se  deben  a  que  las  secciones  gruesas  se  solidifican  al  final.  Además,  la  contracción  en  secciones  transversales  más  grandes  tiende  a  causar  porosidad  en  las  piezas  de  plástico,  al  igual  que  sucedía  en  la  fundición  de  metales,  afectando  así  la  calidad  del  producto. Por otro lado, la falta de rigidez puede dificultar aún más la expulsión de las  partes delgadas de los moldes después de moldearlas.  5. Además,  el  bajo  módulo  elástico  de  los  plásticos  requiere  que  las  formas  se  seleccionen  adecuadamente  para  mejorar  la  rigidez  del  componente  (Figura  19.31b),  en particular cuando el ahorro de material es un factor importante. Nótese que estas  consideraciones son similares a las del diseño para fundiciones metálicas, como lo es la  necesidad de ángulos de salida (comúnmente menos de un grado para los polímeros)  que permitan extraer la parte de los moldes y matrices. Por lo general, los espesores  mínimos recomendados van de 1 mm para piezas pequeñas a alrededor de 3 mm para  piezas mayores.  6. Es  importante  considerar  las  propiedades  físicas  (en  particular  un  coeficiente  alto  de  dilatación  térmica).  El  diseño  o  montaje  inapropiado  de  la  pieza  puede  producir  distorsión (alabeo) y contracción no uniforme (Figura 19.31a). Los plásticos se pueden  moldear con facilidad alrededor de piezas y postizos (insertos) metálicos; sin embargo,  su resistencia y compatibilidad en la interfaz con los metales durante el montaje es un  factor que debe tenerse muy en cuenta.   

  Figura  19.31.‐  Ejemplos  de  modificaciones  de  diseño  para  mejorar  el  conformado  de  piezas de plástico: (a) Cambios de diseño para minimizar la distorsión. (b) Rigidización  del fondo de un recipiente mediante incorporación de curvatura. (c) Cambio de diseño  de una pieza prismática para eliminar el rechupe (chupado o marca de hundimiento)  originado durante el enfriamiento de la pieza.      7. Las propiedades del producto final dependen del material original y de su historia de  procesamiento.  Por  ejemplo,  el  conformado  en  frío  de  los  polímeros  mejora  su  resistencia y tenacidad. En cambio, debido a la falta de uniformidad en la deformación  (incluso en la laminación simple), en los polímeros se desarrollan los mismos esfuerzos  residuales que en los metales. Es posible que estos esfuerzos también obedezcan a los  ciclos  térmicos  de  la  parte  durante  el  procesamiento.  La  magnitud  y  dirección  de  los  esfuerzos  residuales  son  factores  importantes  ya  que  afectan  al  agrietamiento  por  esfuerzo.  Además,  dichos  esfuerzos  se  pueden  relajar  en  cierto  periodo  y  provocar  distorsión de la parte durante su vida útil.  8. Una  ventaja  importante  en  el  diseño  de  los  plásticos  reforzados  es  la  naturaleza  direccional de la resistencia de la fibra o malla empleada. La matriz de resina transfiere  las fuerzas externas aplicadas al material a las fibras, que son mucho más resistentes y 

 

rígidas que la matriz. Cuando todas las fibras se orientan en una dirección, el material  compuesto producido es excepcionalmente resistente en la dirección de la fibra y débil  en las otras. Para obtener resistencia en dos direcciones principales, se disponen capas  unidireccionales individuales en los ángulos correspondientes, una respecto de la otra.  Si  se  requiere  resistencia  en  una  tercera  dirección  (espesor),  se  utiliza  un  tipo  de  refuerzo diferente (como fibra tejida) para formar una estructura tipo sandwich.   

Aspectos económicos  Al  igual  que  en  la  mayoría  de  los  procesos  productivos,  las  decisiones  últimas  de  diseño  y  fabricación  se  basan  en  la  realización  física  y  en  el  coste,  incluyendo  los  costos  del  equipo,  herramientas, energía, mano de obra y generales producción. La selección final de un proceso,  o  de  una  secuencia  de  procesos,  también  depende  en  gran  medida  del  volumen  de  producción.  En  la  Tabla  19.2  se  presentan  las  características  generales  de  los  principales  procesos  de  conformado  de  polímeros  y  de  materiales  compuestos.  Obsérvese  la  gran  variedad de costos de equipos y herramental (herramientas y utillajes), así como los tamaños  económicos de lotes de producción.  En esta tabla también se puede ver que los costos del equipo y de las matrices se relacionan de  alguna manera, y que para procesos como el termoconformado, la fundición y el rotomoldeo,  estos  costos  son  relativamente  bajos.  Las  más  costosas  son  las  máquinas  de  moldeo  por  inyección,  seguidas  de  las  de  moldeo  por  compresión  y  de  moldeo  por  transferencia.  Los  costos  de  los  útiles  y  matrices  también  son  elevados,  por  lo  que  en  una  operación  como  el  moldeo por inyección, el tamaño de la matriz y el número óptimo de cavidades de la misma  para producir cada vez más partes en un ciclo son consideraciones importantes, como lo son  también la fundición a presión en matriz.  Para  permitir  un  mayor  número  de  cavidades,  se  pueden  considerar  matrices  más  grandes  (con  canales  de  alimentación  para  cada  cavidad)  pero  a  expensas  de  aumentar  aún  más  el  costo  de  la  matriz.  Por  otro  lado,  se  producen  más  piezas  por  ciclo  de  máquina,  lo  que  aumenta la velocidad de producción. Por tanto, es necesario realizar un análisis detallado para  determinar el tamaño general de la matriz, su número de cavidades y la capacidad requerida  de la máquina, a fin de optimizar la operación total y producir piezas a un coste mínimo.  En  la  producción  de  materiales  compuestos,  los  costes  de  equipos  y  herramentales  para  la  mayoría de las operaciones de moldeo son generalmente altos, las capacidades de producción  son bajas y las cantidades económicas de producción varían en gran medida. Los altos costos  de equipos y herramentales pueden ser aceptables si la línea de producción es grande.