- Moldeo por inyección de espuma de alta presión
- Molde celular: el concepto de máquina
- ¿Qué potenciales tiene para ofrecer el moldeo por inyección de espuma de alta presión?
- Superficies de alto brillo mediante templado dinámico de moldes
- Los elastómeros también son adecuados para espumar
- Papel técnico de Wittmann Battenfeld
El diseño ligero es una tendencia que impregna cada vez más todos los sectores de la industria manufacturera. En este ámbito, los plásticos desempeñan un papel vital gracias a su relación favorable entre los datos de rendimiento y el bajo peso específico. Pero su potencial de ligereza se puede aumentar aún más mediante la formación de espuma, por ejemplo, mediante moldeo por inyección de espuma. Uno de los pioneros en este campo es el fabricante austriaco de máquinas de moldeo por inyección Wittmann Battenfeld. Su proceso de alta presión de molde celular ofrece parámetros de rendimiento comparativamente superiores junto con una tecnología de sistema menos compleja y, por lo tanto, más robusta en comparación con la competencia. Es un desarrollo 100% interno y sirve de base para una serie de aplicaciones nuevas e innovadoras, como soluciones para mejorar la calidad de la superficie, incluido el alto brillo, para la combinación parcial de componentes compactos con espuma en una sola pieza moldeada y para la formación de espuma de elastómeros termoplásticos. Estas soluciones se han desarrollado en colaboración con la empresa de tecnología bávara Schaumform (Fig. 1).
Fig.1: Las piezas de espuma estructurada con superficies de alto brillo son el resultado de un proyecto de desarrollo conjunto de las empresas Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Austria y Schaumform, Hutthurm, Alemania
La tecnología de moldeo por inyección de espuma no es un proceso nuevo. Las aplicaciones en las que sustancias químicas como azodicarbonamida o feniltetrazol se mezclan en el granulado plástico y se plastifican con él, que liberan gases propulsores después de la inyección en la cavidad del molde, se conocen y utilizan en la producción desde hace unos 50 años. Dado que la presión de expansión de estos gases liberados químicamente no supera los 15 a 40 bar, su uso se limita a partes de paredes relativamente gruesas con trayectorias de flujo cortas.
Para ampliar aún más los límites de aplicación para el moldeo por inyección de espuma, hace unos 40 años se desarrolló la formación de espuma mediante la adición de un gas inerte, generalmente nitrógeno. La principal ventaja es que con nitrógeno se pueden alcanzar presiones de expansión más altas en la región de 100 a 200 bar. Esto permite aprovechar el potencial de diseño ligero del moldeo por inyección de espuma para componentes de paredes delgadas y componentes con trayectorias de flujo largas. Las ventajas, además de la reducción de peso, son la reducción de la presión de inyección específica necesaria para llenar las cavidades y, en consecuencia, la fuerza de sujeción, y la compensación de los efectos de contracción y deformación. Ambos procesos se utilizan en el procesamiento de resinas termoplásticas, desde PP hasta plásticos de ingeniería como PC, PA o PBT. Los desarrollos más recientes y prometedores tienen como objetivo ampliar los campos de aplicación para incluir también elastómeros termoplásticos.
Molde celular: el concepto de máquina
La tarea esencial de una línea de moldeo por inyección de espuma es generar una solución de polímero-gas monofásica dispersa de la forma más homogénea posible durante el proceso de plastificación. La tecnología utilizada por todos los proveedores para este fin es muy similar. Sin embargo, hay algunas diferencias en los detalles del diseño técnico. Dipl.- Ing.(FH) Wolfgang Roth, Jefe de Tecnología de Aplicaciones de Wittmann Battenfeld, lo explica de esta manera: «Los más de 40 años de experiencia práctica con la tecnología desarrollada en nuestra empresa predecesora Battenfeld, Meinerzhagen, nos proporcionaron una base sólida sobre la que construir. Nuestro objetivo era reducir la complejidad del sistema y, al mismo tiempo, ampliar los campos de aplicación para hacerlo más fiable. Por lo tanto, hemos diseñado nuestra unidad de inyección de espuma de molde celular para que se acerque lo más posible a la unidad de inyección estándar. En consecuencia, nuestra máquina funciona con un tornillo estándar de 20 D, que se ha ampliado en la parte delantera añadiendo una sección de mezcla de 5 D.»
La característica específica de Battenfeld de la tecnología de molde celular es la separación entre las secciones de plastificación y de inyección de gas del tornillo, que está provista por una barrera cilíndrica fija en el tornillo. Es la alternativa al uso de una válvula de retención adicional de tipo manguito. Wolfgang Roth añade: «El esfuerzo que supone ajustar dos válvulas de retención a las condiciones de funcionamiento en cada caso para hacerlas a prueba de fallos, es decir, resistentes al desgaste, nos motivó a buscar una solución más simple, que finalmente hemos encontrado en la barrera entre las secciones de plastificación e inyección de gas del tornillo. Esta solución ha sido probada en producción para todos los tamaños de máquinas. De esta manera, el problema de desgaste podría eliminarse sin tener que comprometer en gran medida la densidad del gas en la dirección de la sección de plastificación del tornillo.»
En la sección de mezcla de la unidad de plastificación, el nitrógeno licuado (presurizado con hasta 300 bar) se agrega a la masa fundida de plástico mediante un inyector durante una carrera de medición y posteriormente se difunde en la masa fundida. En la sección de mezcla del tornillo, la distribución de nitrógeno se intensifica dividiendo el flujo de fusión en muchas corrientes separadas.» (Higo.2) Dado que el barril se mantiene cerrado por una válvula de cierre de aguja en la dirección del molde durante la plastificación y la inyección de gas, la mezcla de fusión y gas se mantiene bajo presión dentro de la unidad de plastificación. En consecuencia, se obtiene una solución de polímero / gas monofásico al final del proceso de mezcla. Durante la inyección en la cavidad, se somete a una disminución de presión, lo que reduce la solubilidad del gas en la masa fundida de plástico. Los núcleos de gas finamente distribuidos en la masa fundida y, por lo tanto, proporcionan el ingrediente para formar una estructura de espuma con células igualmente finamente distribuidas.
La entrada de parámetros y el control del proceso se efectúan directamente a través del sistema de control de la máquina geometría de barrera-boquilla de cierre de neeedle-válvula de retención inyector manómetro 1-dispositivo de medición inyector 1
Fig.2: La unidad de plastificación de molde de celda: sus componentes principales son un barril de 25 D con un tornillo de plastificación de 3 zonas de 20 D y una posterior zona de inyección y mezcla de gas 5D. Las dos zonas funcionales del tornillo están separadas por un anillo de retención cilíndrico (barrera).
La formación de esta estructura depende de las condiciones específicas del proceso de moldeo por inyección. Estos incluyen la viscosidad de la masa fundida de plástico, la velocidad de inyección (cuanto mayor sea la velocidad, más fina será la espuma) y, finalmente, el grado de espuma preestablecido (reducción de material). Este último se ajusta inyectando una dosis inferior correspondiente en una cavidad fija, o rellenando una cavidad por completo y posteriormente abriéndola con una carrera de alta precisión preestablecida. Para alcanzar la alta velocidad de inyección que favorece una distribución uniforme de la espuma, se suministra un acumulador de inyección como parte del paquete de equipos de moldeo de celdas (Fig. 3a+3b).
Fig.3a & 3b: Los componentes de la línea de moldes celulares están disponibles en una configuración idéntica para toda la gama de máquinas Wittmann Battenfeld, ilustrada aquí por el ejemplo de un modelo de máquina de 110 toneladas. Un inyector de gas conectado con un módulo de control de flujo de gas compacto se coloca en la parte superior del barril.
Además del inyector de gas y el módulo de control de flujo de gas, el paquete de equipos de molde celular también incluye un acumulador de inyección en la máquina (centro de la foto) y un generador central de nitrógeno combinado con una unidad de compresor.
El nitrógeno se extrae de una batería de cilindros de presión o se extrae del aire ambiente mediante un generador de nitrógeno. En ambos casos, el gas se pasa posteriormente al inyector de gas a través de un generador de presión, como también se usa en líneas de inyección de gas de molde de aire. Una parte del concepto de la línea Battenfeld es que se pueden suministrar varias máquinas simultáneamente mediante un sistema de suministro de gas (Fig.4). Se coloca un regulador de flujo de gas entre el generador de presión y el inyector de gas en la unidad de plastificación. A través de su sistema de válvulas controlables, el flujo de gas se controla y coordina con el proceso mediante el software de molde celular (Fig.5). El paquete de equipos de molde celular está disponible para toda la gama de máquinas Wittmann Battenfeld.
Fig.4: La configuración de la línea de molde celular. El concepto está diseñado para tener una o varias unidades de plastificación suministradas con gas por un generador central de nitrógeno, incluida la unidad de compresor. Un controlador de flujo de gas controlado por el software de molde celular y un inyector de gas están conectados a cada unidad de plastificación para medir el nitrógeno líquido en el barril.
Fig.5: La alta facilidad de uso y la transparencia de los procesos eran las principales prioridades en el desarrollo de los procesos. En consecuencia, todos los parámetros del proceso se pueden ajustar, supervisar y registrar a través del sistema de control de la máquina.
¿Qué potenciales tiene para ofrecer el moldeo por inyección de espuma de alta presión?
Dentro de la cavidad del molde, la formación de espuma en la cubierta exterior de la masa fundida se suprime en gran medida debido a su contacto con la pared de la cavidad enfriada y el aumento resultante de la viscosidad, mientras que el área del núcleo más caliente favorece la formación de la estructura celular. De esta manera, se forman» estructuras sándwich » en partes principales de la pieza moldeada, que consisten en capas de recubrimiento con una alta densidad y partes centrales, cuya densidad aparente es de 5 a 20% menor (Fig. 6a + b).
Fig. 6a & 6b: Piezas de plástico ligeras con una carcasa exterior compacta y un núcleo de espuma estructurado, como se muestra en el ejemplo de un componente de carcasa de PP con un grosor de pared de 3 mm.
La posible reducción de densidad en la pieza moldeada muestra una correlación directa con la relación entre la trayectoria de flujo y el espesor de pared para todos los tipos de materiales plásticos comúnmente disponibles. En el procesamiento de PP, por ejemplo, se puede lograr una reducción de la densidad del 15% en una proporción de 100 : 1, mientras que en 150 : 1 se puede esperar una reducción de la densidad de sólo el 10%.
Aparte de la reducción de peso, el moldeo por inyección de espuma ofrece un potencial adicional para mejorar la calidad de las piezas moldeadas, principalmente en lo que respecta a la contracción y deformación, gracias al efecto uniforme de la presión de expansión dentro del núcleo de espuma. Este efecto es tan fuerte que las marcas de hundimiento y las deformaciones causadas por la contracción pueden eliminarse prácticamente al 100%, aumentando así la precisión dimensional general. Los procesadores también se beneficiarán de varias ventajas significativas de la tecnología de proceso, como la reducción de la fuerza de sujeción requerida en hasta un 50% debido a la disminución de la viscosidad de la masa fundida y, por lo tanto, de la presión de inyección, así como las ventajas comerciales por la reducción del tiempo de ciclo, en particular el tiempo de enfriamiento, gracias a la menor masa de la pieza moldeada que debe enfriarse.
Superficies de alto brillo a través del templado dinámico de moldes
A pesar de explotar toda la gama de variaciones de parámetros que ofrece el proceso de moldeo por inyección de espuma, las piezas livianas aún muestran estrías características o empañamiento gris en la superficie como un atributo común. Este efecto superficial se debe a las burbujas de gas que penetran en el frente de flujo de la masa fundida durante el proceso de inyección. Esta estructura se solidifica al entrar en contacto con la pared de la cavidad del enfriador y, posteriormente, permanece sin cambios. Las superficies pulidas, como las que se requieren para las partes visuales de los componentes de la carcasa, no se pueden lograr con la tecnología estándar. Sin embargo, se puede lograr una mejora sustancial en la calidad de la superficie mediante una combinación de moldeo por inyección de espuma con templado de moldes cíclico y dinámico, como ofrece, por ejemplo, Wittmann Battenfeld en forma de tecnología BFMold y Variomould. Estas variantes utilizan un sistema de refrigeración integrado en el molde para mejorar la superficie visible de la pieza moldeada, siguiendo el contorno de la pieza y operando cíclicamente con controladores de temperatura caliente/fría. Este sistema controla la temperatura de áreas limitadas del molde cercanas a la cavidad. Al calentar la pared de la cavidad, por ejemplo, con agua a presión calentada hasta 180°C inmediatamente antes de la inyección de la masa fundida con contenido de gas, el material no entra en contacto con una pared de cavidad fría al principio, de modo que se puede formar una superficie cerrada antes de que se solidifique (Fig. 7). De esta manera, se puede lograr una excelente calidad de superficie, que está a la par con la de las piezas de plástico compactas. La comparación entre piezas con y sin refrigeración dinámica, como se ilustra en la Fig. 8, muestra la fuerza con la que el efecto del templado dinámico del molde puede influir en la calidad de la superficie.»
Fig.7: Molde con sistema de enfriamiento variotérmico dinámico para producir un panel de carcasa a partir de una mezcla de PC/ABS con una superficie de alto brillo.
Fig.8: Panel decorativo hecho de una mezcla de PC / ABS, a la izquierda fabricado con enfriamiento dinámico activo, a la derecha sin activar el templado dinámico del molde.
Los elastómeros también son adecuados para hacer espuma
El moldeo por inyección de espuma también se puede extender a elastómeros termoplásticos. Si bien se pueden lograr buenas estructuras de espuma mediante espuma química y física, por ejemplo, con polipropileno y poliamida, nuestra serie de pruebas ha revelado que la mayoría de los tipos de TPE solo se pueden espumar mediante moldeo por inyección de espuma física. Y solo los TPE basados en poliéster termoplástico muestran resultados aceptables en términos de estructura de espuma, finura de las células y uniformidad. Las pruebas han demostrado que cuanto más suave sea una formulación de TPE, más problemas de superficie aparecerán en la formación de espuma, especialmente si el moldeo por inyección de espuma se combina con una apertura de molde de alta precisión. Especialmente cuando la cavidad está pulida o incluso pulida de alto brillo, la superficie a menudo muestra numerosas abolladuras. Se han propuesto varias explicaciones diferentes para este fenómeno. Una es que el aire ya está encerrado entre la parte moldeada y la pared de la cavidad mientras se llena la cavidad, que no puede escapar. Una suposición alternativa es que la apertura de alta precisión conduce a una separación de la parte de espuma de la pared de la cavidad, y que la parte de espuma en expansión, cuando entra en contacto con la pared de la cavidad nuevamente, encierra aire o gas plástico en algunos lugares, lo que luego causa las abolladuras.»
Las series de pruebas han demostrado que, a diferencia de los materiales termoplásticos técnicos rígidos y sólidos, los problemas de superficie en el procesamiento de TPE se pueden reducir significativamente utilizando velocidades de inyección medias a bajas. Se pueden obtener efectos igualmente positivos estructurando la pared de la cavidad. Una superficie con textura, granulada o granulada permite que cualquier posible burbuja de gas o aire escape a través de micro canales en la superficie de contacto entre la pieza moldeada y la pared de la cavidad.
En cuanto a las estrías en la superficie, generalmente se aplican los mismos principios que en el moldeo por inyección de espuma con plásticos de ingeniería. En este caso, la solución también es utilizar el templado dinámico alrededor de los contornos del lado visible. Si se aplica simultáneamente una abertura de alta precisión, se pueden fabricar a bajo costo acolchados de espuma suave de alta calidad, por ejemplo, para reposabrazos en la construcción de vehículos, o amortiguadores para aparatos de mano que deben protegerse de caídas. Esto será discutido más detalladamente en un informe separado en uno de los próximos números.
Con la innovadora tecnología de moldes y máquinas para una amplia aplicación
Ya se ha mencionado en relación con la mejora de la superficie que la innovadora tecnología de moldes juega un papel vital en el moldeo por inyección de espuma. Otra área de la tecnología de moldes y máquinas especialmente orientada al moldeo por inyección de espuma es el sistema de apertura parcial del molde a través de la máquina de moldeo por inyección, que permite la combinación de componentes compactos con espuma en una sola pieza moldeada por inyección. Esto es necesario cuando elementos funcionales hechos de material bastante compacto, como ganchos, resortes o pernos, deben combinarse con componentes de panel hechos de material espumado. Para realizar esto, la parte de la cavidad que se va a espumar alrededor de la carrera de espuma se hace móvil. En un primer paso, se llena toda la cavidad de la pieza moldeada, como se hace para una pieza moldeada compacta. Posteriormente, solo la pieza a espumar se abre mediante una carrera de alta precisión. De esta manera, los componentes de carcasa con interfaces mecánicas complejas para los componentes asociados también se pueden realizar en un diseño liviano.
Los valores clave mecánicos se pueden predecir de manera confiable
Las piezas moldeadas por inyección de espuma de alta presión tienen una estructura sándwich característica con capas de cobertura compactas y una capa de núcleo de espuma. El límite entre la capa de cobertura y el núcleo es relativamente abrupto. En componentes de bajo espesor, la capa de núcleo tiene una densidad prácticamente constante a lo largo de todo el ancho del núcleo, mientras que en el caso de un espesor total grande, está presente un perfil de densidad característico. La implementación del proceso tiene tan poca influencia en la densidad de la capa de recubrimiento compacta como el tipo de inyección de gas elegido. En consecuencia, los parámetros de diseño más importantes son la reducción de la densidad diseñada para la parte del núcleo y el grosor de la pared. Estos se pueden definir claramente mediante resultados de medición y sirven como cifras clave para un modelo de cálculo desarrollado por el Dr. Norbert Müller, el fundador de Schaumform, como parte de su disertación para predecir los atributos mecánicos de los componentes.
Diseño de proceso basado en un cálculo de modelo
El punto de partida para el cálculo del modelo es una estructura sándwich simétrica, en la que, en términos ligeramente simplificados, se asumen los valores de material específicos del material compacto para las capas de revestimiento. Para el núcleo espumado, se asumen valores clave cercanos a la realidad para el módulo E y la deformación por fractura (deformación de rendimiento para materiales dúctiles). El comportamiento del núcleo espumado se deriva del comportamiento de todo el componente sándwich, que funciona bien si se conoce el grosor de las capas de cobertura. Son posibles ensayos en los que el núcleo espumado se extrae de un componente y posteriormente se prueba mecánicamente, pero conducen a resultados de medición muy dispersos, que por lo tanto solo tienen una importancia muy limitada.
La teoría y la práctica son consistentes
El método óptimo para probar la rigidez y la resistencia es mediante el uso de varillas de prueba estándar producidas a partir de láminas de espuma estructurada moldeadas por inyección. Alternativamente, si esta opción no está disponible, se pueden utilizar varillas de prueba estándar con una sección transversal de 4 x 10 mm (por ejemplo, varillas de tensión de campus). Sin embargo, al analizar los valores de medición, se debe tener en cuenta que no solo las capas de revestimiento de 10 mm de ancho de las varillas estándar son compactas, sino también las superficies laterales de 4 mm de profundidad. Por lo tanto, una varilla de tensión estándar espumada es comparable a un tubo rectangular pequeño (10 x 4 mm) con aprox. espesor de pared de 0,4 a 1,0 mm y núcleo espumado.
Como es de esperar, la evaluación de las pruebas de resistencia a la tracción muestra que a medida que aumenta la proporción de espuma, el módulo elástico a la tracción y la resistencia a la tracción disminuyen en consecuencia. Esto se debe al hecho de que solo la cantidad de material que aún contiene el componente puede soportar esfuerzos mecánicos o contribuir al soporte de carga. Por lo tanto, los productos moldeados por inyección espumados muestran una mayor tasa de expansión cuando se exponen a la misma carga y se rompen bajo una carga máxima menor. A esto se añaden los efectos de muescas causados por las células de espuma cerca de la capa de cobertura. Los resultados de las mediciones muestran regularmente que la disminución de la resistencia a la tracción invariablemente equivale al menos a la reducción del peso de la pieza. (Higo.9)
resistencia a la tracción (N/mm2) – resistencia al impacto charpy (kJ/m2) – deformación por fractura ( % ) – PP compacto
Fig.9: Cambio en la resistencia a la tracción, resistencia al impacto y deformación por fractura de PP-SGS 40 en función del porcentaje de espuma (0, 5, 10, 15%)
resistencia a la tracción (N/mm2) – resistencia al impacto charpy (kJ/m2) – deformación por fractura ( % ) – PP compacto
Bajo carga de flexión, los valores absolutos de resistencia a la flexión y resistencia a la flexión también se reducen. Sin embargo, dado que las estructuras sándwich son mucho más resistentes a este tipo de carga, la pérdida de resistencia aquí es significativamente menor que para la tensión de tracción. La resistencia a la flexión disminuye en un porcentaje menor que el peso de la pieza. En las figuras 10 y 11 se documenta que, por ejemplo, con un grado de espuma del 15%, la rigidez en relación con el peso ha aumentado en un 4,8% en comparación con la parte compacta sin espuma o, en otras palabras, es posible realizar componentes rígidos con un peso menor.
designación del eje-peso rel. a rigidez-peso residual
Fig.10: El cambio en la resistencia a la flexión, el atributo más importante para los componentes de la carcasa. La resistencia a la flexión en relación con el peso de las muestras de ensayo disminuye solo ligeramente con un 5% de espuma, mientras que permanece igual a la parte compacta con un 10% de espuma, e incluso muestra un aumento notable con una reducción de la densidad del 15%.
resistencia a la flexión en relación con el peso medido, calculada
Fig.11: Una comparación entre la resistencia a la flexión relacionada con el peso según el cálculo del modelo (Schaumform) y los resultados de las mediciones en varillas de flexión moldeadas por inyección con sección transversal de 10 x 7 mm muestra una congruencia de buena a excelente.
Resumen
La tecnología de moldeo por inyección de espuma ha recibido un nuevo impulso innovador debido a la tendencia cada vez mayor hacia aplicaciones ligeras. Las innovaciones más recientes se refieren a métodos para mejorar la calidad de la superficie en la dirección de alto brillo, así como la combinación de segmentos compactos con espuma en una sola pieza moldeada. Las contribuciones más importantes se han hecho mediante nuevos desarrollos en la tecnología de procesos y moldes, que van desde el templado dinámico de moldes hasta la apertura de alta precisión de moldes enteros o segmentos de cavidades en uno o varios pasos. Los cálculos de modelos probados, que ahora están disponibles en general, ofrecen un potencial adicional de asistencia en el diseño y la disposición de las piezas. En general, el proceso de moldeo por inyección de espuma ha alcanzado un grado de madurez similar al del procesamiento convencional por moldeo por inyección. Ofrece reducciones de densidad precisas y repetibles y estructuras sándwich para una gama de materiales plásticos en constante crecimiento, incluidos elastómeros termoplásticos.