Simulación del moldeo por inyección

INTRODUCCIÓN

El moldeo por inyección consiste básicamente en fundir un material plástico en condiciones adecuadas e introducirlo a presión en las cavidades de un molde, donde se enfría hasta una temperatura a la que las piezas puedan ser extraídas sin deformarse.

El proceso puede dividirse en dos fases; en la primera tiene lugar la fusión del material y en la segunda la inyección del mismo en el molde.

En estas máquinas conforme el tornillo gira, la maquina produce material fundido que se va acumulando en al parte anterior del mismo. Para alojar este material fundido dentro del cilindro, el tornillo debe retroceder lentamente mientras gira. Una vez que hay suficiente cantidad de material fundido acumulado delane del tornillo, se detiene el giro y se realiza un movimiento axial hacia delante, con lo que se realiza la inyección del material fundido:

Imagen 1. Ejemplo del procesado por inyección

Con la ayuda del programa Moldflow Plastics Insight (MPI), se ha realizado una simulación del proceso de moldeo por inyección introduciendo los parámetros necesarios como es el modelo geométrico de la pieza, dimensiones y localización del bebedero, los canales de alimentación y las entradas a la cavidad que se recogen a continuación:

 Tabla 1. Características de la pieza.

Dimensiones recipiente (mm)	210 x 88,6 x 77
Espesor de la pared (mm)	1,4
Volumen pieza (cm3)	92

 

Una vez introducidos estos datos, se malla el modelo con una longitud global del lado del elemento de 15mm, y se comprueba que no existan elementos solapados, ni que se producen intersecciones entre los mismos y que la relación de aspecto media de la malla no es superior a 6 unidades.

A continuación, se establece el punto de inyección. El programa realiza un ensayo para determinar el mejor punto de inyección de polímero de manera que se realice un llenado homogéneo.

Una vez situado el punto óptimo de inyección, se crean cuatro cavidades  separadas 60mm y se introducen los datos anteriormente comentados sobre las dimensiones del bebedero, canales de alimentación y entradas a la cavidad.

  

Tabla 2. Datos introducidos.

Bebedero		Canales de alimentación		Entradas (tipo "Top gates")
Posición	Centro del molde	Diámetro (runner) (mm)	8	Diámetro inicial (mm)	4
Plano de partición(mm)	20	Diámetro (drops) (mm)	5	Diámetro final (mm)	1
Diámetro inicial (mm)	4	Conicidad (grados)	8	Longitud (mm)	2
Conicidad (grados)	3
Longitud (mm)	125

 

Tras esta etapa de pre-proceso, se procede al cálculo y ejecución de los ensayos. Se ha de seleccionar:

1. El tipo de ensayo: Ensayo de llenado y compactación.

2. El material de moldeo: HDPE Generic Estimates: CMOLD Generic

   Estimates.

3. Condiciones del proceso:

 

-Temperatura del molde y polímero fundido: Se utilizan las temperaturas recomendadas para el material seleccionado.

-Etapa de llenado de la cavidad: se irá variando la duración de inyección del polímero desde 0.1 hasta 5 segundos en cinco ensayos independientes. Y el punto de cambio de control por velocidad a control por presión debe ser del 96% de volumen de la cavidad llenado.

-Etapa de compactación: La presión debe ser un perfil constante de valor igual al 80% de la presión de inyección máxima alcanzada durante la etapa de llenado. Esta etapa debe durar 10 segundos.

-Etapa de enfriamiento: Este parámetro lo determina el programa automáticamente.

 

Una vez seleccionados todos estos parámetros, se procede a empezar el ensayo. En total realizaremos cinco ensayos con cada uno de los distintos tiempos de inyección: 0.1, 0.5, 1, 2 y 5 segundos. 

En cada ensayo, de todos los resultados obtenidos se seleccionan  los valores máximos de presión de inyección y fuerza de cierre, con el fin de estudiar la variación de P y F con el tiempo de inyección, de donde s obtiene el tiempo óptimo de llenado que se corresponderá con el mínimo obtenido de P y F. 

RESULTADOS

Mediante este ensayo se obtienen distintos resultados como son el tiempo de llenado (donde se muestra la variación de la posición del frente de inyección con el tiempo a través de la cavidad); la presión en el punto de cambio (muestra la distribución de presiones a través de la cavidad en el instante en el que el control de llenado permuta de control por velocidad a control por presión); tiempo para solidificar; los atrapamientos de aire; la fuerza de cierre ( muestra la variación de la fuerza de cierre con el tiempo del que interesa conocer el valor máximo que alcanza en cada ensayo realizado); la presión (representa la presión a lo largo del camino que ha recorrido el polímero en función del tiempo del que también nos interesa el valor máximo en cada ensayo realizado); y por último el esfuerzo cortante en la pared (muestra la evolución del esfuerzo con el tiempo.

Con esta simulación, se pretende dar una idea del tiempo óptimo de inyección, de forma que tanto la fuerza de cierre como la presión de inyección, sean lo mínimas posible (lo que implica menos gastos de energía, mantenimiento…) para obtener la pieza final sin defectos. Como veremos, el tiempo óptimo será uno intermedio. Fenómeno que explicaremos en el apartado “conclusiones”.

  

Tabla 1. Tabla resumen de los resultados.

Tiempo (s)	Presión (MPa)	F(Toneladas)
0,1	100	560
0,5	100	575
1	92	500
2	86	430
5	100	600

Fig. 2. Representaciónn de la presión de inyección frente la presión.

Fig. 3. Representación de la fuerza de cierre frente la presion.

 CONCLUSIÓN

Como se ha podido comprobar gráficamente, tanto la mínima presión de inyección como la mínima fuerza de cierre, se conseguían para tiempos de inyección intermedios.

Este fenómeno se puede explicar del siguiente modo:

Si el tiempo de inyección es demasiado breve, tanto la presión de inyección como la fuerza de cierre, serán elevadas, ya que hay que introducir un caudal demasiado elevado en un tiempo muy breve. Por lo que tiempos tan cortos serán descartados para la elaboración de la pieza. Por tanto, conforme se aumenta el tiempo de inyección, dichos parámetros disminuirán, mejorando las condiciones de trabajo de la máquina de inyección. Sin embargo, esta tendencia no continúa así indefinidamente, sino que llega un punto (a partir de los 2-3 segundos) en el que dichos parámetros vuelven a aumentar de nuevo. Cosa que se explica con el hecho de que si el tiempo de inyección es muy grande, el polímero fundido podrá ir enfriándose conforme entra en el molde que está refrigerado. Es decir, al ser la velocidad del material tan baja, le dará tiempo a enfriarse durante la entrada hacia el molde. Lo que provoca que no dé tiempo a que se vaya depositando a lo largo y ancho de todo el molde, lo que a su vez genera un estrechamiento de la zona por la que entra el polímero, siendo necesario aplicar entonces una mayor presión y por tanto una mayor  fuerza de cierre.

El tiempo óptimo de inyección para este material y con este molde está entre unos 2-3 segundos. Si quisiéramos saber con mayor precisión este tiempo, deberíamos hacer más simulaciones alrededor de estos valores.