Simulación del proceso de moldeo rotacional

   OBJETIVOS.

• Utilización del programa RotoSim.

• Estudio de la influencia de las variables siguientes en el proceso de rotomoldeo:

-Condiciones de enfriamiento

-Velocidad rotación del brazo

-Velocidad de rotación del plato

-Masa de la muestra

-Relación de giro entre el brazo y el plato

INTRODUCCIÓN

  

El moldeo rotacional o rotomoldeo es un método para transformar plásticos, que generalmente se encuentran en polvo, para obtener artículos huecos. De una forma esquemática, podemos describir el proceso así:

Fig. 1. Proceso de rotomoldeo.

  

  En este proceso una cantidad de plástico frío, en polvo o líquido, se introduce en la mitad del molde también frío. El molde se cierra y se hace rotar biaxialmente en el interior del horno. Cuando la superficie metálica del molde se calienta lo suficiente, el plástico comienza a fundir y se adhiere a las paredes internas del molde. El plástico va fundiendo en capas sucesivas, y gracias a la rotación biaxial cuando todo el plástico ha fundido el interior del molde debe estar completamente recubierto. En ese momento puede comenzar la etapa de enfriamiento mientras continúa la rotación biaxial del molde. Una vez solidificado el plástico, el molde se  descarga.

En el programa usado, se divide el molde en elementos diferenciales, calculándose la posición de cada elemento del molde conforme éste gira respecto de la balsa de polvo (en la parte inferior del molde). Para ello, tendrá en cuenta una serie de parámetros (constantes físicas) y las condiciones de contorno. Obteniendo una serie de ecuaciones que se resuelven por el método de elementos finitos. Calculando para cada instante la temperatura del material, profundidad de la balsa de polvo y el espesor del material sólido.

La figura objeto de la simulación ha sido:

Fig. 2. Imagen de la figura simulada.

 

PROCEDIMIENTO

Pasos que hemos seguido:

• Selección del molde: en este caso, el molde cúbico (file, open, mould file).

• Selección del tipo de giro que será de rotación biaxial (set up, select drive type).

• Introducción de las condiciones del proceso que eran:

-Polímero: MPDE

-Velocidad de rotación del plato: 2 rpm

-Velocidad de rotación del brazo: 2 rpm

-Relación de giro entre el brazo y el plato: 5 rpm

-Tiempo de ciclo (s)

-Tiempo de horno (s)

-Masa de polímero (kg)

-Temperatura inicial del aire y molde (ºC)

-Temperatura ambiente (ºC)

-Tiempo/perfil de temperaturas

Tabla 1. Tabla resumen de las temperaturas vs. tiempo.

t (s)	T (ºC)
0 5 500 505 1500	40 350 350 20 20

        -Tipo de enfriamiento, del que emplearemos aire forzado

         (set up, set cooling conditions).

        -Para modificar las propiedades físicas del polímero: 

         edit,polymer data, Heat transfer data).

        -Inicio de la simulación (simulation control bar, run 

         simulation).

        -Guardar datos de la simulación (file, save, save run 

         data fyle, save, save plot data).

        -Medir la distribución de espesores en esquinas y 

         centro de las diferentes caras.

 

RESULTADOS

Los resultados, obtenidos en mm a partir de una velocidad de rotación del plato y del brazo de 2 rpm han sido:

Tabla 2. Resultados (cara 1).

cara 1
A	B	C	D	CENTRO
5,5	5,5	5,4	5,4	0
4,8	5,5	5,4	5,4	0
5,5	5,5	5,4	4,7	0
4,8	4,7	5	4,7	0
5,15	5,3	5,3	5,05	0	MEDIA
0,350	0,346	0,173	0,35	0	DESVIACIÓN

Tabla 3. Resultados (cara 2).

cara 2
B	D	F	H	CENTRO
5,2	5,7	7	6,3	1,8
5,2	5,78	7	8,1	1,8
5,6	5,7	7	6,3	2,4
5,3	5,1	7,3	8,1	1,5
5,33	5,57	7,08	7,20	1,88	MEDIA
0,164	0,273	0,130	0,900	0,327	DESVIACIÓN

 Tabla 4. Resultados (cara 3).

cara 3
E	F	G	H	CENTRO
5,8	5,9	6,3	5,7	5,8
5,8	5,9	6,3	5,7	5,8
5,8	5,9	5,8	5,7	5,8
5,8	5,7	6,3	5,7	5,8
5,8	5,85	6,175	5,7	5,8	MEDIA
0	0,087	0,217	0	0	DESVIACIÓN

  

Tabla 5. Resultados (cara 4).

cara 4
A	E	C	G	CENTRO
5,6	6,8	5,6	7,2	2
5,6	6,6	5,1	7,2	2
5,6	6,8	5,1	7,9	2
5	6,6	5,6	7,9	2,6
5,45	6,7	5,35	7,55	2,15	MEDIA
0,260	0,100	0,250	0,350	0,260	DESVIACIÓN

 

 Tabla 6. Resultados (cara 5).

cara 5
A	B	E	F	CENTRO
5,9	5,9	6,3	6,9	6,6
5,9	5,9	6,3	7	6,6
6	5,9	6,3	6,9	6,6
6	5,9	6,3	7	6,3
5,95	5,9	6,3	6,95	6,525	MEDIA
0,05	0	0	0,05	0,130	DESVIACIÓN

 

  Tabla 7. Resultados (cara 6).

cara 6
C	D	G	H	CENTRO
5,9	6	7,1	6,3	6,4
5,9	5,9	7,1	6,7	6,4
5,9	5,9	7,4	6,3	6,9
5,9	6	7,5	6,7	6,5
5,9	5,95	7,275	6,5	6,55	MEDIA
0	0,050	0,179	0,200	0,206	DESVIACIÓN

  

Como se observa, la muestra no ha llegado a solidificar totalmente, sino que existen numerosas partes de la pieza en la que el grosor es cero. De donde se deduce que la velocidad de rotación introducida en el programa ha sido tan lenta que no ha dado tiempo a que se solidifique todo el material. Además, si se observan las tablas, tanto las medias como la desviación varían en gran medida.

Es decir, el espesor a lo largo de la pieza no sería uniforme, cosa que se quiere evitar a toda costa en esta pieza cuyo grosor se pretende constante.

CONCLUSIÓN

A continuación se presentan las gráficas obtenidas durante la simulación, donde se puede ver las diferentes temperaturas y porcentajes de material en los diferentes estados. 

En primer lugar, se explican las diferentes partes de las curvas y qué representa cada una de ellas:

Fig. 3. Datos de la simulación rotomoldeo.

 

Las curvas azul, violeta claro y amarilla, representan la temperatura que rodea al molde, la del molde y la interior del molde respectivamente. La azul claro, violeta oscuro y granate, el porcentaje de polvo, fundido y material sólido con el transcurso del tiempo respectivamente.

  En la curva amarilla (indica la temperatura en el interior del molde), se observan 6 etapas:

  Durante la primera etapa, el material en polvo se encuentra tambaleándose en la base del molde mientras éste gira: etapa de inducción. 

El molde alcanza una cierta temperatura a la que el polvo comienza a fundir, y a adherirse a la superficie del interior del molde. En esta etapa diferentes capas de polvo quedan adheridas en la superficie interior del molde y van absorbiendo calor para fundir, por lo que la temperatura del material aumenta lentamente: etapa de sinterización.

Una vez que todo el material se ha adherido al molde, la temperatura aumentará a mayor velocidad, dependiendo de la capacidad calorífica del fundido: etapa de densificación.

A continuación tiene lugar la etapa de enfriamiento inicial a una velocidad determinada por el sistema de enfriamiento empleado.

Después, el material fundido comienza a cristalizar y se observa una nueva meseta debida al desprendimiento de calor durante la cristalización del material: etapa de cristalización.

La última etapa llamada enfriamiento final se mantendrá hasta que la pieza tenga suficiente consistencia para poder ser extraída del molde sin deformarse.

Ahora se pasa a comparar nuestra gráfica con la de referencia.

Fig. 4. Muestra de referencia.

   

Fig. 5. Resultados de la simulación llevada a cabo.

 

En primer lugar, se explicará la tendencia de estas curvas:

Conociendo los parámetros introducidos en el programa, se pasa a describir  la influencia de los siguientes parámetros:

En la simulación llevada a cabo, se han introducido los mismos parámetros que la de referencia, cambiando un único valor: el de la velocidad de rotación del plato.

En este caso, la velocidad de rotación del plato (en rpm), era 5 veces inferior a la referencia. Siendo la velocidad tan lenta, que la velocidad de fusión del material (pendiente de la curva violeta oscura) era muy inferior a la referencia, lo que implica que el tiempo en el que el 100% del material está fundido sea demasiado corto, de forma que no dé tiempo a que este se vaya situando a lo largo de las paredes del molde, pues antes de que esto ocurra, éste ya ha solidificado. Es por esto que algunas partes de mi pieza tenía un grosor de 0 mm. De forma que para dichas condiciones (tiempo enfriamiento, calentamiento, tipo material…) se debería subir la velocidad del plato para conseguir una figura con un grosor estable.

    En cuanto a la temperatura, se observa que la temperatura del molde, se acercaba a los 300 ºC, mientras que en la referencia era algo inferior, En la Tª del interior del molde ocurría todo lo contrario. Lo que puede explicar la menor pendiente de la curva anterior (pues al ser menor la Tª en el interior del molde, más tardará en fundirse el material interno al ya fundido-ya que actúa como aislante entre el material aún no fundido y el molde caliente-).

Finalmente, se ve como el porcentaje de material sólido en el caso de estudio, aún no ha llegado al 100% (lo que explica los grosores iguales a 0).

En definitiva, para la obtención de la pieza para dichas condiciones (tiempo enfriamiento, calentamiento, tipo material…) se debería subir la velocidad del plato para conseguir una figura con un grosor estable.

Fig. 6. Simulación.

Fig. 7. Simulación.