Chapter 4: Microgrid and components Modelling & Simulation
4.4 MG Modelling and Simulation
3.4.3.1. Consideraciones para
partes de polímeros
moldeadas
Las características generales de los materia- les plásticos que deben ser consideradas en el diseño de la piezas independientemente del procedimiento a utilizar son:
• Resistencia y rigidez • Resistencia la impacto • Temperaturas de servicio • Expansión térmica • Degradación y radiación
En el moldeo por inyección deben tomarse en cuenta, además de las características del material, la respuesta del polímero frente al proceso, los parámetros de control, la forma de la pieza a moldear, así como los aspectos de la calidad del producto.
Los principales parámetros de control para el proceso son:
• La temperatura del material fundido • La temperatura del molde
• La presión de inyección y de retención • La velocidad de inyección
• La distribución del tiempo para cada etapa del ciclo
El uso de valores inadecuados en los pa- rámetros de control puede dar origen a defectos en el moldeo por inyección como: Llenado deficiente. Este se produce en una pieza que se ha solidificado antes de llenar completamente la cavidad. Puede corre- girse incrementando la temperatura o la presión. También puede deberse al uso de una máquina con capacidad de dosifica- ción insuficiente.
Rebaba. Ocurre cuando la fusión del po- límero se desliza en por la superficie de separación entre las partes del molde o alrededor de los pernos de eyección. El problema generalmente es causado por, ventilas o claros muy grandes en el mol- de, presión de inyección demasiado alta
comparada con la fuerza de sujeción, tem- peratura de fusión demasiado alta o tamaño excesivo de la dosis.
Hundimientos y huecos. Estos defectos esta relacionados a secciones gruesas de la piezas. La marca hundida ocurre cuando la superficie exterior del molde se solidifi- ca pero la contracción interna provoca que haya una depresión por debajo de la super- ficie nominal. El mismo fenómeno puede manifestarse pero a través de un hueco interno. Estos defectos pueden tener su origen en un incremento de la presión de compactación que sigue a la inyección. Una solución es diseñar la parte para tener secciones con espesor uniforme y usando secciones más delgadas.
Líneas soldadas. Ocurre cuando la fusión del polímero fluye alrededor de un cora- zón u otros detalles convexos en la cavidad del molde y se encuentran en la dirección opuesta. Estas zonas pueden tener propie- dades mecánicas inferiores a las del resto de la parte. Las temperaturas altas de fu- sión, las presiones altas de inyección, las localizaciones alternas de las puertas en la pieza y una mejor ventilación son formas de evitar ese defecto.
Existen problemas de calidad que pueden reducirse por medio del diseño. Un parte de plástico moldeado debe diseñarse para cumplir con su función al costo más bajo posible. En el diseño deben considerarse los aspectos artísticos, la utilidad de la pie- za y la manufactura económica. Todos los factores que se consideran relevantes en el diseño de una parte moldeada, que se enuncian a continuación, también están re- lacionadas al diseño del molde; dado que uno es la contraparte del otro.
Selección del polímero. La selección del polímetro depende de la experiencia in- dividual y por lo común se encuentra que varios polímeros trabajan igualmente bien. En estos casos depende del costo y de las preferencias del productor.
Acabado y color. El acabado y el color de la superficie para un plástico pueden influen- ciar en los costos. Primero entra la selección
del material. El acabado de la superficie dicta el grado de acabado y por lo tanto el costo del molde. La mayoría de las par- tes de plástico tienen rebabas, corredores o bebedores que deben eliminarse, por lo general en operaciones secundarias. Las partes se deben diseñar de modo que sus acabados puedan realizarse con facilidad sin detrimento de la apariencia.
Cantidades de producción económica. Para que el alto costo de la fabricación del molde sea justificable debe considerarse un producción de alrededor de 10,000 piezas. Complejidad de la pieza. Una pieza com- pleja significa un molde más costoso, pero puede resultar mejor opción que ensamblar muchos componentes.
Espesor de las paredes. Deben evitarse las secciones gruesas ya que toman más material, se enfría con lentitud y retardan el moldeo. La transición debe ser gradual entre las secciones gruesas y delgadas para promover el enfriamiento uniforme y evitar esfuerzos. El espesor de la sección trans- versal es generalmente indeseable y puede remplazarse mediante costillas de refuerzo o se puede controlar cuidadosamente la presión de retención. Las secciones gruesas y delgadas bajo una superficie deben evi- tarse debido a que la sección más grande se contrae y causa depresiones notables. Las paredes de plástico no deben ser de- masiado delgadas o débiles; generalmente no menos de 1.5 a 2.5mm
Radios de las esquinas y bordes. Las es- quinas agudas interrumpen el flujo laminar, tienden a crear defectos superficiales, cau- san concentraciones de fuerzas y por lo común se fracturan. Deben proporcionar- se radios y filetes adecuados para eliminar aristas y esquinas agudas siempre que sea posible. Esto hace más fuertes las partes y más durables, reduce el costo del molde y ayuda que el material fluya apropiadamente en el molde. Un radio o filete debe tener cuando menos 25% del espesor de las pa- red y nunca menos de 0.8mm.
Agujeros. Los agujeros complican el di- seño del molde y la remoción de la parte,
y causan interrupciones en el flujo de la fusión. Las oquedades deben tener corazo- nes siempre que sea posible. Un agujero a través de la parte es mejor que un agujero ciego ya que su corazón pasador puede so- portase en ambos extremos.
Angulo de salida. La parte moldeada debe diseñarse con ángulo de salida en sus la- dos para facilita su remoción del molde. El ángulo recomendado para termoplásticos varía usualmente entre 1/8º y 1/2º.
Tolerancias. Son deseables amplias to- lerancias debido a las variaciones de los parámetros del proceso y a la diversidad de forma de las parte. Las tolerancias prácticas dependen principalmente del tamaño. Las dimensiones de 25mm o menores pueden mantenerse dentro de ±50mm. Para dimen- siones más grandes, de no más de 200mm, las tolerancias reales pueden ser de ±10 a 20mm/cm.
Las líneas de soldadura. Si son inevitables deben colocarse en una posición donde sean poco importantes. En estos puntos pueden que se requiera extraer el aire. Líneas de partición. Deben colocarse para asegurar bajo costo del molde, remoción sim- ple de la rebaba y fácil expulsión de la parte. Orientación. En el moldeo por inyección la orientación del polímero es un problema que puede provocar las distorsión de las piezas, por lo tanto se debe minimizar. Un rápido enfriamiento congela las distribucio- nes orientadas, pero economiza el proceso. Contracción. Si la precisión dimensional es importante debe seleccionarse un po- límero de baja contracción. De otro modo la contracción debe ser predecible, lo cual requiere un diseño simétrico del producto y un diseño de molde que asegure un flujo uniforme y simétrico; comúnmente se maxi- miza el área de la compuerta y se colocan cuidadosamente las compuertas.
Perfil de inyección. El procedimiento de inyección se divide en dos secciones: llenar y empacar. Llenar depende de la velocidad y debe ser rápido. Empacar utiliza presión
para llenar uniformemente.
Efectos de la presión y del calor debido a esfuerzos de corte. En los bebederos es- trechos de un molde la velocidad de corte
es de unos 103 s-1 y en el estrechamiento
de la compuerta es de alrededor de 105 s-1.
Durante la inyección la temperatura se ele- va proporcionalmente a la caída de presión conforme el material fluye a través de los canales, aproximadamente 1ºC por 1MPa de caída de presión. Conforme se presuri- za el material fundido la presión incrementa la viscosidad, considerándose como una temperatura negativa de alrededor de -1ºC por MPa de incremento en la presión. Para modificaciones en las condiciones de flujo de corte se considera que estos efectos se anulan mutuamente.
3.4.3.2. Consideraciones para
piezas en maquinado
Existen cinco elementos muy importantes a considerar para el maquinado de metales que involucran aspectos como el material, la herramienta y el equipo, la forma, los pa- rámetros de control y la calidad.Tolerancias. Las operaciones de maquinado suministran mayor precisión que cualquier otro proceso de formado, con tolerancias de hasta 0.013mm aproximadamente. Fre- cuentemente las tolerancias más estrechas conducen a menos problemas de ensam- blado, prueba final del producto, servicio de campo y aceptación del cliente. Pero en general tolerancias más cerradas también significan costos más altos.
Acabados superficiales. Frecuentemente es el maquinado el que determina la geo- metría final, las dimensiones y la textura de la superficie de la parte. La rugosidad de la superficie maquinada depende de muchos factores que se clasifican en tres grupos.
• Factores geométricos. Estos determinan
la geometría de la superficie e incluyen el tipo de operación, la geometría de la he- rramienta y el avance.
• Factores del material de trabajo. Se de-
trabajo y la herramienta como el efecto de acumulación en el filo, daño a la superfi- cie causado por la viruta, desgarramiento de la superficie, grietas en al superficie y fricción entre el flanco de la herramienta y la superficie generada. Estos factores son influenciados por la velocidad de corte y el ángulo de inclinación de la herramienta.
• Factores de la vibración y de la máquina herramienta. Estos factores están rela-
cionados con la máquina herramienta, la herramienta y la instalación de operación. Maquinabilidad. Las propiedades del ma- terial influyen de manera significativa en el éxito de una operación de maquinado. La maquinabilidad denota la facilidad relativa con la cual se puede maquinar un material usando las herramientas y condiciones de corte adecuadas. El desempeño relativo se expresa como un número índice llamado índice de maquinabilidad (IM) donde el ma- terial de referencia tiene un IM de 1.00 Selección de las condiciones de corte. Mientras que la profundidad se puede de- terminar en base a la geometría de la pieza y la secuencia de operación, para determi- nar el avance es necesario considerar los siguientes factores:
• Características de la herramienta.
• Tipo de operación (desbaste o acabado). • Restricciones del avance en desbaste. • Requerimientos de acabado superficial. La selección de la velocidad de corte busca un alta velocidad de remoción de material y que sea conveniente para una larga vida útil de la herramienta.
Diseño. Existe una serie de lineamientos para el diseño de partes moldeadas que ayudan a obtener un resultado satisfactorio en el uso de este proceso. Los más impor- tantes son:
• Minimizar la magnitud del maquinado. • Las tolerancias deben especificarse para
satisfacer los requerimiento funcionales, pero también deben considerarse las ca- pacidades de los procesos.
• Debe especificarse el acabado superfi- cial para cumplir con los requerimientos funcionales o estéticos, pero los mejores acabados incrementan los costos.
• Deben evitarse las formas como esqui- nas afiladas, bordes y puntas.
• Debe evitarse la perforación de agujeros muy profundos.
• Las partes maquinadas deben diseñarse de modo que puedan producirse con un material disponible.
• El diseño debe considerar los esfuerzos a los que serán sometidas la piezas.
• Deben evitarse las muescas.
• Se deben seleccionar materiales con buena maquinabilidad.
• Las partes deben poder generarse con el mínimo de ajustes.
• El diseño de las partes se debe lograr con herramientas estándar.