I. INTRODUCTION
1.2. Background
1.2.3. Rough open channel flow
CAPÍTULO III: APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DEL MOLDE DE LA PIEZA CASO DE ESTUDIO 47
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CAPÍTULO III: APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DEL MOLDE DE LA PIEZA CASO DE ESTUDIO
3.1.- Generalidades
En el presente capítulo se desarrolla el diseño de un molde plástico para una pieza caso de estudio, teniendo en cuenta la metodología desarrollada en el capítulo anterior. Esta pieza caso de estudio no es más que la tapa superior de la tapa de un pequeño contenedor de 50 mm de diámetro exterior como se muestra en la figura 3.1
Figura 3.1: Pieza caso de estudio para la elaboración del molde plástico.
3.2.- Descripción de la pieza
La pieza a fabricar es la tapa superior de la tapa de un contenedor de 50 mm de diámetro exterior. Cuenta un vaciado cóncavo que tiene la función de controlar la rigidez para que no pierda la forma de la pieza. Además presenta un ángulo de apriete en el borde de la pieza. La principal función es tapar a presión la parte superior de la tapa del contenedor, el cual se utiliza para almacenar en su interior medicina radioactiva empleada contra el cáncer.
Diseño de la pieza
Antes de empezar a dibujar o diseñar el molde debemos tener claro que pieza se va a moldear. La geometría real se discretizó mediante superficies no representativas generadas previamente en un software CAD (SolidWorks 2015). No fue necesaria su reparación una vez exportada ya que se llevó a cabo en el propio sistema CAD, la pieza se representa en la figura 3.2.
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Figura 3.2: Pieza de plástico elaborada en el software CAD SolidWorks 2015.
3.3.- Material a inyectar
El material seleccionado para la fabricación de la pieza es el polietileno de alta densidad (HDPE) debido a que es uno de los más utilizados en la industria, además de ser muy abundante. El polietileno de alta densidad (HDPE) se produce normalmente con un peso molecular que se encuentra en el rango entre 200.000 y 500.000, pero puede ser mayor. Es un polímero de cadena lineal no ramificada. Es más duro, fuerte y un poco más pesado que el de baja densidad, pero es menos dúctil. El polietileno con peso molecular entre 3.000.000 y 6.000.000 es el que se denomina UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene). Con este material se producen fibras, tan fuertes, que pueden utilizarse para fabricar chalecos a prueba de balas.
A continuación se muestra las características generales que pudieran ayudar al conocimiento de los que se inician en estas ramas del saber así como también a técnicos y especialistas vinculados a la fabricación de partes o sistemas para repuestos.
Nombre comercial: Hostalen, Vestolen A
Color y aspecto del material corriente en el mercado: se presenta como masas granuladas en granza, opaco y en otras tonalidades transparentes y opacas, tacto semejante a la cera.
Propiedades generales del producto acabado: alta rigidez, estabilidad a la temperatura y a la forma, buena dureza superficial, destacadas propiedades dieléctricas, insípido e inodoro, resistente a la ebullición y esterelizable.
Ejemplos de aplicación: utensilios domésticos (fuentes, cubos, tinas), juguetes, recipientes de transporte, botellas, piezas para alta frecuencia, aparatos médicos,
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Temperatura de uso permanente no perjudicial: máximo 105º C.
Estabilidad frente a productos químicos: estable frente a ácidos, álcalis y alcoholes. Condicionalmente estable frente a ésteres, cetonas, éteres, aceites y grasas. Inestable frente a hidrocarburos clorados, benzol, bencina, carburante.
Comportamiento al aplicarle la llama: sigue ardiendo tras separar la llama, esta es luminosa con núcleo azul, el material gotea durante su combustión.
Secado previo: 1-1.5 horas a 65º C.
Olor al aplicar la llama: a parafina, a velas de estearina.
La tabla 3.1 muestra las propiedades fundamentales del polietileno de alta densidad.
Tabla 3.1: Propiedades del polietileno de alta densidad (HDPE)
Propiedades Características
Estructura Química El análisis del polietileno (C, 85.7%; H, 14.3%) corresponde a la fórmula empírica (CH2)n resultante de la polimerización por adición del etileno
Cristalinidad Es cristalino en más de un 90%
Temperatura de transición vítrea Tiene 2 valores, a -30ºC y a -80 ºC
Punto de fusión 135ºC Esto le hace resistente al agua en
ebullición
Rango de temperaturas de trabajo Desde -100ºC hasta +120ºC
Propiedades ópticas Debido a su alta densidad es opaco.
Densidad Inferior a la del agua; valores entre 945 y
960 kg por m3
Viscosidad Elevada. Índice de fluidez menor de
1g/10min, a 190ºC y 16kg de tensión
Flexibilidad Comparativamente, es más flexible que el
polipropileno
Resistencia Química Excelente frente a ácidos, bases y alcoholes
Estabilidad Térmica En ausencia completa de oxígeno, el
polietileno es estable hasta 290 ºC. Entre 290 y 350 ºC, se descompone y da polímeros de peso molecular más bajo, que son normalmente termoplásticos o ceras, pero se produce poco etileno. A temperaturas superiores a 350 ºC, se producen productos gaseosos en cantidad creciente, siendo el producto principal el butileno.
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Propiedades Eléctricas: Como podía esperarse de su composición química, el polietileno tiene una conductividad eléctrica pequeña, baja permitividad, un factor de potencia bajo (9, 15) y una resistencia dieléctrica elevada.
Existen en el mercado grados especiales con distribución de pesos moleculares más estrecha, que responden fuertemente al estirado y orientación y con los que se alcanzan altas tenacidades.
Aplicaciones
El HDPE tiene muchas aplicaciones en la industria actual. Más de la mitad de su uso es para la fabricación de recipientes, tapas y cierres; otro gran volumen se moldea para utensilios domésticos y juguetes; un uso también importante que tiene es para tuberías y conductos. Su uso para empaquetar se ha incrementado debido a su bajo costo, flexibilidad, durabilidad, su capacidad para resistir el proceso de esterilización, y resistencia a muchas sustancias químicas. Entre otros muchos productos en los que se utiliza el HDPE, podemos nombrar botes de aceite lubricante (automoción) y para disolventes orgánicos, mangos de cutter, depósitos de gasolina, botellas de leche, bolsas de plástico y juguetes. Para la fabricación de artículos huecos, como botellas, se usa un procedimiento parecido al de soplado del vidrio. Se usan también el moldeo por compresión y la conformación de láminas previamente formadas.
Ventajas - Conducciones con HDPE
Un sistema en polietileno ofrece una cantidad importante de ventajas sobre los sistemas convencionales:
Pérdidas de carga por fricción mínimas
No es atacada en ninguna forma por la corrosión
Ausencia de sedimentos e incrustaciones en su interior
Flexibilidad
Elasticidad
No mantiene deformaciones permanentes
Peso reducido
Longitudes mayores, lo cual reduce el número de uniones (menor costo) y reduce las posibilidades de fallas humanas en la instalación
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Larga vida útil
Menor costo de adquisición e instalación
Resistente a movimientos sísmicos
Resistencia mecánica y ductilidad
Resistente a bacterias y químicos
El polietileno tiene también entre sus ventajas que es un producto reciclable, esto significa que puede ser utilizado por terceros para fabricar por ejemplo estibas plásticas, sillas ornamentales, macetas plásticas, etc.
En al anexo 5 se muestran otras propiedades de interés del polietileno de alta densidad.
Líneas y superficies de partición
El estudio de las particiones de la pieza se realizó con la ayuda del CAD 3D de la pieza a fabricar, en el que encontramos la geometría de la pieza definida por la línea (azul) y las superficies (verde) de partición. Siempre que sea posible hay que realizar superficies de partición planas y evitar la superficies con formas o inclinadas. A partir de la geometría de la pieza y las superficies de partición el software SolidWorks genera dos sólidos que conforman la parte inferior y la parte superior de la pieza. (Postizo de figura). Las dimensiones de éstos sólidos están parametrizados por lo que se pueden variar en cualquier momento.
Una vez realizado el estudio del CAD 3D, concluimos que la partición de pieza se encuentra en un plano, tal como muestra la siguiente figura 3.3.
Figura 3.3: Líneas de partición
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Entrada del material
Teniendo en cuenta la línea de partición de la pieza, se concluye que el mejor punto para la entrada del material se encuentra en la zona plana central que une cada uno de los puntos de las cavidades del molde. Sobre esta superficie, localizamos el punto de entrada de material centrando tanto longitudinal como transversalmente.
A continuación se muestra la figura 3.4 dónde observamos el punto en cuestión de entrada de material.
Figura 3.4: Punto de inyección
Con el punto de entrada de material seleccionado, obtenemos un llenado de todas las cavidades uniforme, evitando la sobrealimentación.
Zona de expulsión
Contando con que ya se tiene definida la zona de expulsión de la pieza, situaremos los expulsores en las zonas estratégicas de la figura 3.5. Aprovechamos la geometría de la pieza para ejercer la fuerza de expulsión sobre superficies más rígidas que transmitan el esfuerzo de expulsión a toda la pieza.
Figura 3.5: Sistema de expulsión
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3.4.- Número de Cavidades
Selección de la máquina de inyección
Se elige una máquina inyectoraSandretto de 85 toneladas con cámara horizontal porque no es conveniente moldear artículos pequeños en máquinas grandes debido a la degradación del material que ocurre en la cámara de plastificación de la máquina. En la tabla 3.2 se observan las características técnicas de esta máquina.
Tabla 3.2 Características técnicas de la máquina 85 ton
Características Técnicas Valor UM
Diámetro del husillo 45 mm
Volumen de inyección 286 cm3
Longitud útil del husillo 21 l/d
Capacidad de plastificación 25 gr/s
Presión de inyección máxima 1500 bar
Velocidad del husillo (Mín-Máx) 153/418 rpm
Potencia total de calefacción 10.5 kW
Fuerza de bloqueo del molde 850 kN
Recorrido grupo de inyección 320 mm
Grueso del molde (Máx- Mín) 100/460 mm
Carrera del plato móvil 410 mm
Dimensiones de los platos 560x560 mm
Pasaje entre columnas 370x370 mm
Diámetro del anillo de centraje 125 mm
Cálculo del área proyectada de la pieza
𝐴𝑃 = 𝜋 ∗ 𝑟2
𝐴𝑃 = 𝜋 ∗ (25𝑚𝑚)2
𝐴𝑃 = 1963.5 𝑚𝑚2
𝐴𝑃 ∗ 4 = 𝟕𝟖𝟓𝟒 𝒎𝒎𝟐
De esta manera se calcula el área proyectada de la pieza ya que su forma es básicamente un círculo.
Calculo del área proyectada de los canales
𝐴𝑅 = 4 ∗ 𝐴𝑅𝑒𝑐𝑡𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝐴𝑅 = 4 ∗ 260 𝑚𝑚2
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Área máxima utilizable = 𝐴𝑃+ 𝐴𝑅
Área máxima utilizable = 7854 𝑚𝑚2+ 1040𝑚𝑚2 Área máxima utilizable = 𝟖𝟖𝟗𝟒 𝒎𝒎𝟐
Cálculo de la fuerza de cierre
Área máxima utilizable= Fuerza de Cierre
Presión máxima de inyección
Fuerza de Cierre=Área máxima utilizable ∙ Presión máxima de inyección
Fuerza de Cierre = 8894 𝑚𝑚2∗ 150000000 𝑃𝑎 Fuerza de Cierre = 0.008894 𝑚2∗ 150000000 𝑁/𝑚2 Fuerza de Cierre = 𝟏𝟑𝟑𝟒𝟏𝟎𝟎 𝑵 = 𝟏𝟑𝟑. 𝟒 𝒕𝒐𝒏
Por tanto la máquina de inyección de 85 ton no es la correcta para la elaboración de la pieza caso de estudio por lo que seleccionamos una máquina de inyección de 135 ton Por tanto tenemos que:
Fuerza de Cierre=Área máxima utilizable ∙ Presión máxima de inyección
Fuerza de Cierre = 8894 𝑚𝑚2∗ 146400000 𝑃𝑎
Fuerza de Cierre = 0.008894 𝑚2∗ 146400000 𝑁/𝑚2
Fuerza de Cierre = 1302081.6 𝑁 = 𝟏𝟑𝟎 𝒕𝒐𝒏
En la tabla 3.3 se observan las características técnicas de esta máquina de 135 ton Tabla 3.3: Características técnicas de la máquina de 135 ton.
Características Técnicas Valor UM
Diámetro del husillo 50 mm
Volumen de inyección 353 cm3
Longitud útil del husillo 20 l/d
Capacidad de plastificación 38.8 gr/s
Presión de inyección máxima 1464 bar
Velocidad del husillo (Mín-Máx) 0/200 170/450 rpm
Potencia total de calefacción 9 kW
Fuerza de bloqueo del molde 1325 kN
Recorrido grupo de inyección - mm
Grueso del molde (Máx- Mín) 150/500 mm
Carrera del plato móvil 400 mm
Dimensiones de los platos 610x610 mm
Pasaje entre columnas 400x400 mm
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Comprobación
Fuerza de cierre de la máquina: 135 Ton. F cierre calculada <F cierre máquina
130 ton<135 ton, por tanto la máquina garantiza el llenado de las cavidades sin que se abra el molde.
Cálculo del número teórico de cavidades
𝑛 = 𝐹𝑐
1.25 ∗ 𝑃𝑖𝑚∗ 𝐾1 ∗ 𝐴𝑃
𝑛 = 1300000 𝑁
1.25 ∗ 25 ∗ 1.1 ∗ 8894 𝐧 = 𝟒 𝐂𝐚𝐯𝐢𝐝𝐚𝐝𝐞𝐬
Se seleccionan cuatro cavidades, pues la máquina permite el llenado de las mismas sin problemas, y un número mayor de estas no sería económicamente factible.
La presión de inyección media, no es más que la presión dentro del molde, es mucho menor que la presión de salida debido a las pérdidas que ocurren en las distintas partes de donde fluye el plástico. Se puede tomar un valor entre 20 y 25 MPa para piezas con espesores uniformes de 1 a 3 mm, fáciles de moldear y caminos de flujos uniformes. Para piezas difíciles de moldear, grandes diferencias de espesor de pared y largos caminos de flujo, se recomiendan valores superiores a 40 MPa.
AP: Área proyectada del artículo, en mm2.
K1: Coeficiente que considera el área proyectada de los canales de alimentación (Se
recomienda K1 =1,1 para moldes con alimentación lateral y K1 =1 para moldes con
alimentación directa central):
Cálculo del tiempo de enfriamiento
V = (TE − TWZ)/(TM − TWZ)
TM=513.15 0K
TWZ= 313.15 0K TE= 333.15 0K
Los valores de TM, TMZ, TE, se pueden observar en el anexo 6 V = (333.15 − 313.15)/(513.15 − 313.15)
V = 0.1 Ver tabla 3.4 A = 0.95
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Tabla 3.4: Coeficiente de temperatura (V) en función de la constante del módulo de transferencia de calor V 0 0.05 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 A 1 0.9 0.95 0.78 0.61 0.50 0.39 0.30 a= 7.7∙10-8m2/s=0.077mm2 Sz = 1.96 mm Te=A∙Sz 2 4∙a Te= 0.95*1.962 4∙0.077 Te= 11 s
Cálculo de la capacidad de plastificación
𝐶𝑃 = 𝑃𝑃𝐴6 𝑡𝑒 𝐶𝑃 = 20.5 𝑔
11 𝑠 𝑪𝑷 = 𝟐 𝒈/𝒔
3.5.- Determinación de las contracciones
Las contracciones en nuestra pieza están dadas por las masas plásticas que se contraen al solidificarse en el molde por causa del enfriamiento, la consecuencia es que las dimensiones son menores a las del molde, la contracción para cada plástico es distinta. Esto se resuelve tomando en cuenta el porcentaje de contracción para la pieza a moldear, es decir se debe sumar dicho porcentaje a las dimensiones del molde con el fin de que la pieza cuando se contraiga contenga las dimensiones deseadas.
Algunos valores de contracción se muestran en la tabla 3.5 destacando de color rojo la contracción para el material en cuestión que es el polietileno de alta densidad.
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Tabla 3.5: Contracción en % de plásticos.
Material % de contracción
Poliamida 6 1 -1.5
Poliamida 6 + fibra de vidrio 0.5 0.5
Poliamida 6.6 1 – 2
Poliamida 6.6 + fibra de vidrio 0.5 0.5
Polietileno de baja densidad 1.5 – 3
Polietileno de alta densidad 2 – 3
Poliestileno 0.5 - 0.6 Estireno – acrilonitrilo 0.4 – 0.6 Polimetacrilato 0.3 – 0.6 Material % de contracción Policarbonato 0.8 Copolimero de acetato 2
Cloruro de polivinilo duro 0.5 – 0.7
Cloruro de polivinilo blando 1 – 3
Acrinitrilo-butadieno-estireno 0.4 – 0.6
Polipropileno 1.2 – 2
Acetato de celulosa 0.5
Acetobutirato de celulosa 0.5
Propionato de celulosa 0.5
3.6.- Diseño del molde Portamoldes
Los portamoldes son elementos estandarizados, son la base de fijación de los postizos. El portamolde que se utiliza es de dos placas, con placas bases desbordantes, regles y placas expulsoras. La fijación entre placas se realiza con tornillos Allen. El guiado de las placas se realiza con columna y casquillos, al igual que las placas expulsoras. Las dimensiones, el guiado, la fijación del portamolde se puede consultar en el plano de conjunto del molde. La dimensión del portamolde la han definido los sólidos y, sobre todo, las placas expulsoras. El puente del molde debe ser lo suficientemente grande como para alojar los expulsores que extraerán la pieza del molde. Se ha escogido dos materiales para el molde, un acero bonificado para las placas, y un acero no aleado para el resto del molde como se muestra en la figura 3.6. En el anexo 7 se muestra la explosión del portamolde.
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Figura 3.6: Portamolde
Sistema de Inyección
El punto de inyección, como manda la lógica, estará en el centro de la pieza (así el llenado y las fuerzas que actúan en el molde serán uniforme). La inyección debería ser con boquilla caliente, ya que se inyecta sobre la pieza y además no hay mermas de material. Pero una boquilla caliente es cara en relación al molde que estamos haciendo. Al final se inyectará mediante un bebedero como se muestra en la figura 3.7. Dejará una colada sobre la pieza que se deberá eliminar tras la inyección. El bebedero conectará la boquilla de la máquina con la figura del molde.
Figura 3.7: Sistema de Inyección (bebedero) Sistema de expulsión
Para extraer la pieza del molde se usarán expulsores, y una placa porta expulsores, que será pilotada por la máquina de inyección. La placa porta expulsores fija los expulsores mediante dos placas atornilladas y están guiadas mediante unos casquillos y unas columnas. Las placas expulsoras se fijarán a la máquina de inyectar, y se han colocado
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unos topes en la base de las placas expulsoras para reducir el contacto con la placa base y evitar posibles desalineaciones como se muestra en la figura 3.8.
Figura 3.8: Extracción de la pieza mediante expulsores Ensamblar los componentes de Refrigeración
El material inyectado entra en el molde a una temperatura elevada. Ésta masa se debe enfriar lo más rápidamente posible. La temperatura de desmoldeo de un polietileno debe ser inferior a los 100º C, si se extrae a temperaturas mayores se corre el riesgo de deformar o romper la pieza, aparte de que la contracción será mayor. En los moldes de elevado rendimiento y ciclos de producción muy pequeños también se deben refrigerar los machos y los botadores como se muestra en la figura 3.9.
Figura 3.9: Orifico de enfriamiento del macho y orificio para botadores
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Para el enfriamiento de la placa de respaldo de la placa porta macho es importante tener en cuenta la disposición de los canales que debe permitir un enfriamiento uniforme en todas las cavidades del molde, deben ser construidos con un acabado basto, el cual facilita la turbulencia del agua y mejora el efecto refrigerante.
La separación de los canales respecto a las cavidades debe ser lo menor posible para reducir la distancia de transmisión térmica, y la distancia entre dos canales paralelos puede ser 2 a 3 veces el diámetro del canal como se muestra en la figura 3.10.
Figura 3.10: Enfriamiento en la placa de respaldo de la placa porta macho.
El software SolidWorks nos da al final el diseño del molde de la pieza. En la figura 3.11 y 3.12 se muestran las cajas de molde tanto abierto como cerrado de la pieza caso de estudio.
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3.7.- Valoración económica de la metodología propuesta para el diseño de moldes por inyección de plástico.
Si se analiza con detenimiento el precio actual de las materias prima en el mercado mundial, se puede demostrar la alta incidencia económica en los precios de los moldes, los cuales se enmarcan dentro de una clasificación, moldes de baja, media y alta complejidad. También, están los moldes de baja (prototipos), media y alta calidad.
Los resultados del análisis de la producción efectuado en las empresas productoras de moldes, quedó claramente demostrado que hay moldes desde 20 000.00 Euros hasta 400