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Fundamentos de fabricación mecánica

Capítulo 15.15.1

Conformado de plásticos

CONFORMADO DE PLÁSTICOS.

Introducción.

El crecimiento en las aplicaciones de los polímeros sintéticos es realmente muy grande debido a que el uso anual de los polímeros excede al de los metales, en términos de volumen. Se puede observar en la figura la aplicación de distintos polímeros en un vehículo como ejemplo del incremento de la utilización de los plásticos en este sector.

Las razones de la importancia comercial y tecnológica de los polímeros, sus ventajas pues son las siguientes: 

Se pueden moldear para conformar piezas de intrincada geometría sin necesidad de procesamientos posteriores.



Poseen una atractiva lista de propiedades para muchas aplicaciones de ingeniería donde la resistencia no es un factor determinante:



Baja densidad con respecto a los metales y a los cerámicos



Buena relación de resistencia al peso para ciertos polímeros (pero no para todos)



Alta resistencia a la corrosión y



Baja conductividad eléctrica y térmica



Volumétricamente los polímeros son competitivos en costo con los metales



Requieren menos energía que los metales para su producción.



Ciertos plásticos son traslúcidos y transparentes.



Los polímeros se usan ampliamente en materiales compuestos

15.1

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Por otra parte, los polímeros tienen generalmente las siguientes limitaciones: 

Baja resistencia con respecto a la de los metales y los cerámicos,



Bajo módulo de elasticidad o rigidez.



Temperaturas de servicio se limitan a sólo algunos cientos de grados.



Algunos polímeros se degradan cuando se sujetan a la luz del sol y otras formas de radiación.



Exhiben propiedades viscoelásticas, lo cual puede ser una limitación distintiva en aplicaciones que implican carga.

15.2

Clasificación de los materiales poliméricos.



Termoplásticos son resinas con una estructura molecular lineal o en cadena. Durante el moldeo en caliente no sufren ninguna modificación química. La acción del calor causa que estas resinas se fundan, solidificándose rápidamente por enfriamiento en el aire o al contacto con las paredes del molde.



Termoestables tienen una estructura molecular reticulada o entrelazada, se funden inicialmente por la acción del calor, pero en seguida, si se continúa la aplicación del calor, experimentan un cambio químico irreversible, el cual provoca que las resinas se vuelvan infusibles (es decir, no se plastifican) e insolubles. Una vez endurecidos no pueden ser ablandados y solo se les puede dar forma mediante mecanizado.



Elastómeros se caracterizan por una elevada elongación del orden entre el 200 y el 1000%. Las propiedades elásticas de los hules naturales y sintéticos alcanzan sus valores máximos después de un apropiado tratamiento de vulcanización o curado con azufre o con peróxidos. .

15.3

Propiedades físicas de los polímeros.

De entre las propiedades de los polímeros las podríamos clasificar según los siguientes apartados, contemplados en las normas citadas: 

Térmicas: Temperatura de fusión, temperatura de transición vítrea (ISO 11357), coeficientes de expansión....



Mecánicas: Módulo de elasticidad, tensión de fluencia, tensión de rotura, (ISO527 1-2), ensayo de impacto (ISO 179), Dureza...



Reológicas: Viscosidad, índice de viscosidad, (ISO 1133) contracción del material (ISO 2577).



Eléctricas: Permisividad relativa, resistencia eléctrica..



Otras propiedades: Absorción de agua, absorción de humedad (ISO 62), densidad (ISO 1183)

15.2

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15.4

Conformado de plásticos

Clasificación de los procesos. Procesado de plásticos

Extrusión

Inyección

Perfiles Tuberías Transversal Láminas y películas Película tubular Calandrado Filamentos y fibras Coextrusión Rotacional

Por compresión

tradicional de espuma termoplástica de termoestables múltiple LIM con reacción RIM con gas

Termoconformado Al vacío A presión Mecánico

15.5

Por Soplado

Por compresión Por transferencia

Extrusión soplado Inyección soplado

Fundición de plastico

Formado de espumas

colado convencional fundición hueca

poliestireno poliuretano

Moldeo por extrusión.

Proceso de compresión en el cual se fuerza al material a fluir a través de un orificio denominado hilera para generar un producto largo y continuo cuya forma de la sección transversal queda determinada por la forma del orificio. Se usan tornillos de Arquímedes para hacer fluir el polímero en el estado fundido o gomoso a lo largo de la camisa de la máquina dónde están alojados calentadores. El polímero sólido se alimenta por un extremo y por el otro lado sale el material sometido a extrusión ya perfilado. Dentro de la máquina el polímero se funde y homogeneiza.

El material se alimenta en forma de lentejuelas llamadas granza, en la tolva donde se le calienta al ser introducido en el cilindro, y se le hace fluir debido a la rotación del tornillo extrusor

15.3

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15.5.1 Extrusión de láminas y películas. La dificultad del método de extrusión de láminas y películas es la uniformidad del espesor a lo ancho del material. Esto se debe al cambio drástico que experimenta el polímero durante su paso por la hilera. Para alcanzar grados altos de producción es necesario incorporar al proceso de extrusión métodos eficientes de enfriamiento y recogida de la película. Normalmente se utiliza el método de los rodillos refrigerados.

En el proceso de calandrado, se producen hojas y películas de hule o termoplásticos ahulados como el PVC plastificado. 15.5.2 Extrusión de tubos La extrusión de perfiles huecos como tubos, mangueras y otras secciones similares requieren un mandril para dar la forma hueca. Las configuraciones pueden ser: a. Mediante presión interior contra un mandrino exterior b. Mediante aspiración para adaptar la forma al mandrino exterior c. Mediante mandrino interior tipo araña.

15.4

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Combinando los dos anteriores procesos se producen las bolsas plásticas:

15.5.3 Extrusión transversal El recubrimiento de alambres y cables aislados es uno de los procesos de extrusión de polímeros más extendidos. La fusión de polímero se aplica al alambre desnudo mientras ésta pasa a alta velocidad a través del dado. Se aplica un ligero vacío para propiciar la adición del polímero al cable. El producto se enreda en bobinas a una velocidad de hasta 50 m/s.

15.5

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15.5.4 Extrusión soplado. Operación de producción a muy alta velocidad, para realizar recipientes huecos (p.e. botellas) El macarrón o parisón desciende de la extrusionadora y cae dentro de un molde dónde será soplado aumentando su volumen y adaptándose a la forma deseada.

15.6

Proceso de inyección de plásticos

El moldeo por inyección se basa en la introducción mediante alta presión de un polímero fundido en un molde cerrado y frío, donde solidifica para dar el producto. La pieza moldeada se recupera al abrir el molde para proceder a su extracción.

15.6

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La secuencia de operaciones para producir piezas moldeadas por inyección es como sigue: 1. El molde está cerrado. En esta etapa el molde está vacío. 2. En la unidad de inyección se llena de material fundido. La válvula cierra y se inicia la rotación del tornillo. La presión se aplica a la boquilla cerrada y el tornillo se mueve hacia atrás para acumular una nueva carga de material fundido frente a él. 3. Se inyecta el material. La válvula abre y el tornillo, que actúa como un pistón, fuerza el paso del material fundido por la boquilla hacia el molde.

4. Etapa de "retención", donde se mantiene la presión mientras el material se enfría para evitar la contracción. Una vez que se inicia la solidificación, puede eliminarse la presión. 5. La pieza moldeada se enfría en el molde. 6. Cuando finaliza la solidificación, la prensa y el molde se abren y se expulsa la pieza moldeada. 7. El molde cierra de nuevo y se repite el ciclo.

15.6.1Máquinas de moldeo por inyección. Fundamentalmente se consideran los siguientes elementos en una máquina de inyección de plásticos: 1) Unidad de inyección: mecanismo de alimentación; pistón de inyección; tornillo sin fin, cilindro de calefacción; boquilla o tobera. 2) Unidad de cierre que aloja el molde. 3) Sistema hidráulico. 4) Sistema de control . En el moldeo por inyección la herramienta utilizada es el molde, que ha de estar sujetado en la unidad de cierre y que ha de ser intercambiable para moldear diferentes productos.

15.7

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15.6.2 Unidades de cierre. La función de la unidad de cierre es mantener cerrado el molde con la fuerza suficiente para resistir la presión de inyección. Esta puede exceder de 40 Mpa y muy bien pueden ser necesarios 200 MPa para evitar fugas en las superficies de acoplamiento del molde. El cierre se efectúa mediante un mecanismo de presión mecánico o hidráulico. Los dos métodos más comunes de sistemas de cierre son: 

Cierre mediante pistón hidráulico.



Cierre de rodillera accionada mediante cilindro hidráulico

15.6.3 Llenado del molde. La velocidad de llenado influye en el acabado superficial y en otras propiedades de la pieza moldeada. Para una cavidad fija el tiempo de llenado es inversamente proporcional al caudal. Generalmente es necesaria al principio una gran presión del plástico para realizar la 1ª fase o etapa de llenado lo más pronto posible, posteriormente en una 2ª fase o etapa de mantenimiento o retención se detiene la salida del plástico del molde hacia atrás así como se compensa el rechupe que la solidificación produce.

15.8

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15.6.4 Inyección múltiple Los polímeros se pueden inyectar simultánea o secuencialmente y pueden conllevar varias cavidades del molde.. - Una variante es el moldeo en sandwich consistente en la inyección de dos polímeros separados, uno para la superficie externa de la pieza y el otro para el núcleo. Una boquilla de diseño especial controla la secuencia de flujo de los dos polímeros.

- En la inyección múltiple secuencial se inyecta primero un polímero y seguidamente se realiza la variación en el posicionando del molde, para seguidamente inyectar el segundo polímero. Este proceso se utiliza para la inyección de los faros traseros de vehículos. 15.6.5 Inyección - soplado. En este proceso el parisón o preforma inicial se conforma por inyección. La preforma se recalienta hasta justo por encima la temperatura de transición vítrea y se estira por soplado. El soplado con estiramiento se efectúa empujando la boquilla de soplado, la cual estira hacia abajo el parisón y sopla simultáneamente para realizar el conformado de la pieza. Se trata de un procedimiento que imparte orientación biaxial en el producto. El polímero más utilizado en este procedimiento es el PET (polietileno de teraftalato). Durante este procedimiento la velocidad de inyección se limita mediante el control de la presión de inyección para evitar la formación de cristales en el polímero debido a la cristalización inducida por esfuerzos.. Estos cristales provocarían una turbidez inaceptable en las botellas. Es importante también controlar la temperatura de fusión para asegurar la fundición de todos los cristales. El espesor de la pared de la preforma se limita a 4.2 mm por medio de la rapidez de enfriamiento en el moldeo por inyección. Esto limita el tamaño del cuello de la botella y todas las botellas moldeadas por inyección- soplado, salvo raras excepciones tienen el mismo tamaño de cuello. La preforma se enfría violentamente para mantener el estado amorfo. Este proceso normalmente se limita a los materiales termoplásticos PET, HDPE, LDPE. También se sopla con PP y PVC.

15.9

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15.7

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Moldeo por compresión.

Proceso muy antiguo y utilizado para plásticos termoestables. Se aplica también a llantas de hule. La carga inicial puede estar en forma de polvo, lentejuelas, líquido o partes preformadas. Consiste en las siguientes etapas: 1. 2. 3. 4.

Se sitúa la carga inicial fija del polímero en el molde calentado. Se unen las dos semimitades del molde para comprimir la carga y conformar la pieza Se calienta la carga a través del molde, transformándose en una pieza sólida Se abre el molde y se produce la extracción.

Las prensas de moldeo por compresión están orientadas verticalmente. Los moldes para este proceso son generalmente más simples que los de inyección ya que no llevan sistemas de alimentación. La principal desventaja de este método frente a la inyección es la mayor duración del ciclo de moldeo, por lo que la velocidad de producción es más baja.

15.8

Moldeo por transferencia.

En este proceso se carga un material termoestable preformado en una cámara inmediata a la cavidad del molde donde se calienta. A partir de este momento se aplica presión para forzar al polímero suavizado a fluir dentro del molde caliente, donde se realiza el proceso de curado. Se produce material de desecho en cada ciclo que no puede recuperarse debido a que es un termoestable. Este moldeo también se presta para incorporar insertos de metal que se colocan en la cavidad antes de realizar el moldeo. 15.10

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Moldeo rotacional.

El moldeo rotacional usa la gravedad dentro de un molde giratorio para hacer formas huecas. Este proceso se denomina también rotomoldeo, y se utiliza como moldeo alternativo al soplado para fabricar formas huecas grandes. Se utiliza fundamentalmente con polímeros termoplásticos. Se pueden moldear formas externas complejas, grandes y la productividad es menor que en soplado. El proceso consiste en las siguientes fases: 1. Introducción de la cantidad de polvo de polímero en la cavidad del molde 2. Calentamiento del molde y giro simultáneo del mismo sobre dos ejes perpendiculares deforma que el material choca contra todas las superficies del molde, formando la capa fundida de espesor uniforme. 3. Mientras gira el molde, se produce el enfriamiento solidificando la pieza. 4. Apertura del molde y extracción de la pieza. Las velocidades de rotación que se utilizan son relativamente bajas. Los moldes para el moldeo rotacional son más sencillos que en el moldeo por soplado, y por supuesto la construcción es mucho más económica. La lista de piezas fabricadas mediante este proceso incluye juguetes huecos, pelotas, cascos de embarcaciones, cajas de arena, recipientes, boyas y otros dispositivos flotantes, piezas para carrocerías, salpicaderos de vehículos, barriles industriales, tanques de gasolina, etc. Los materiales más utilizados es el PE, HDPE, además de PP, ABS y poliestireno de alto impacto HIPS.

15.11

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15.10 Termoconformado En este proceso se utiliza una lámina plana de material termoplástico para darle la forma deseada. Se utiliza ampliamente en el empaque de productos de consumo, y para fabricar grandes piezas, como tinas de baño, revestimientos internos de refrigeradores, etc. El termoconformado consta de dos etapas fundamentales: 1. El calentamiento de la lámina: mediante radiadores eléctricos 2. El conformado: determinará los distintos tipos de termoconformado. Los plásticos termoconformados comunes son el PS, el AC, al ABC, PVC, acrílico, PE, y PP.

15.12

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Conformado de plásticos

15.10.1 Termoconformado al vacío

15.10.2 Termoconformado a presión

15.10.3 Termoconformado mecánico

15.13...