INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL.ESCUELASUPERIORDEINGENIERIAMECANICAYELECTRICA SECCIONDEESTUDIOSDEPOSGRADOEINVESTIGACION.

Diseodemoldesdeinyeccindeplstico conIngenieraconcurrente.TESIS. QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN CIENCIA CON ESPECIALIDAD EN INGENIERIA MECANICA. PRESENTA:

ING. ENRIQUE MAYA ORTEGA. DIRECTORA DE TESIS:

M. EN C. ALLA KABASTSKAIA IVANOVNA.

MEXICO, D.F

I

II

INSTITUTO POLITECNICO NACIONALSECRETARIA DE INVESTIGACION Y POSGRADO

CARTA CESION DE DERECHOS

En la Ciudad de Mxico, D. F., el da el(la) que suscribe

05

del mes

marzo

del ao

2007

ENRIQUE MAYA ORTEGA MAESTRIA EN INGENIERIA MECANICA

alumno (a) del Programa de

con nmero de registro bajo la direccin del trabajo intitulado:

B021502

adscrito a la Seccin de Estudios de Posgrado e Investigacin de la y cede los derechos del al

E.S.I.M.E. Unidad Zacatenco, manifiesta que es autor(a) intelectual del presente Trabajo de Tesis M. EN C. ALLA KABATSKAIA IVANOVNA

DISEO DE MOLDES DE INYECCION DE PLASTICOS CON INGENIERIA CONCURRENTE

Instituto Politcnico Nacional para su difusin, con fines Acadmicos y de Investigacin.

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Si el permiso se otorga, el usuario deber dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo. Nombre y Firma

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Diseo de moldes de inyeccin con ingeniera concurrente.Lista de figuras. Lista de tablas. Lista de Nomogramas. Glosario de trminos. Resumen. Abstract. Objetivos. Justificacin. Introduccin. Captulo I.- Generalidades. 1.1 Estado del arte. 1.2 Historia del plstico. 1.3 Aplicaciones del plstico. 1.4 Procesos de manufactura del plstico y mquinas utilizadas. 1.5 La mquina de inyeccin. 1.5.1 Tipos de mquinas de inyeccin. 1.5.2 Descripcin de la mquina de inyeccin. 1.5.3 Caractersticas principales de una mquina de inyeccin. Captulo II.- Proceso de moldeo del plstico. 2.1 Clasificacin de los plsticos. 2.2 Tecnologa de moldeo de materiales plsticos. 2.3 Moldeo por inyeccin de plstico. 2.3.1 El ciclo de inyeccin. 2.3.2 Factores que influyen en el proceso de moldeo. 2.3.2.1 Temperatura. 2.3.2.1.1 Viscosidad del material. 2.3.2.2 Presin. 2.3.2.3 Velocidades y tiempo. 2.3.2.3.1 Velocidad de rotacin del husillo. 2.3.2.3.2 Tiempo de enfriamiento para piezas termoplsticas. 2.3.2.3.3 Tiempo de enfriamiento para piezas termofijas. 2.4 Moldeo por inyeccin de plstico. 2.4.1 La funcin del molde de inyeccin. 2.4.2 Clasificacin de los moldes. 2.4.3 Descripcin de los moldes. 2.5 Situacin actual de la fabricacin de moldes en Mxico. 2.5.1 Situacin econmica en la fabricacin de moldes en Mxico. V VI VII VIII XII XII XIII XIV XV 1 2 3 3 4 6 6 6 7 9 10 11 11 11 12 13 15 15 16 16 16 17 17 17 17 18 18 19

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2.5.2 Situacin tecnolgica en la fabricacin de moldes en Mxico. Captulo III.- La ingeniera concurrente en el diseo de piezas de plstico. 3.1 Concepto de ingeniera concurrente. 3.2 Objetivos de la ingeniera concurrente. 3.3 Mecanismos de la ingeniera concurrente 3.4 Las comunicaciones en un entorno de ingeniera concurrente 3.5 Ingeniera concurrente y los sistemas CAD/CAM/CAE. 3.6 Aplicacin de la ingeniera concurrente en el diseo de moldes. 3.7 El intercambio de informacin durante la etapa de diseo.

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Captulo IV.- Aplicacin de la ingeniera concurrente en el proceso de diseo de un molde de inyeccin de plstico. 31 4.1 Informacin de la pieza. 4.2 Requerimientos del transformador. 4.2.1 Informacin de transformacin. 4.3 Diseo del molde. 4.3.1 Estudio previo del molde 4.3.1.1 Verificacin de la geometra de la pieza. 4.3.1.2 Realizacin del estudio de viabilidad de fabricacin del molde. 4.3.1.3 Generacin de una oferta para su diseo y construccin. 4.3.2 Anteproyecto del molde. 4.3.2.1 Seleccin del tipo de molde. 4.3.2.2 Determinacin de la cantidad de cavidades del molde. 4.3.2.2.1 rea proyectada y fuerza de cierre. 4.3.2.2.2 Clculo del peso del producto. 4.3.2.2.3 Clculo de la capacidad de plastificacin. 4.3.2.2.4 Clculo de la capacidad de inyeccin. 4.3.2.3 Sistema de alimentacin (llenado). 4.3.2.3.1 Funciones y componentes. 4.3.2.3.2 Diseo de la seccin de la boquilla. 4.3.2.3.3 Configuracin de los canales de alimentacin. 4.3.2.3.3.1 Anlisis reolgico. 4.3.2.3.4 Configuracin de las entradas o canales de estrangulamiento. 4.3.2.3.5 Disposicin de las entradas en la pieza. 4.3.2.3.6 Cantidad de entradas. 4.3.2.3.7 Salida de aire. 4.3.3 Sistema de expulsin. 4.3.3.1 Desmoldeo de piezas obtenidas por inyeccin. 4.3.3.2 Configuracin de las varillas expulsoras. 4.3.3.3 Contraccin de la pieza. 4.3.4 Enfriamiento y tipo de enfriamiento. 4.3.4.1 Clculo del tiempo de enfriamiento. 4.3.4.2 Determinacin del calor que debe disiparse por unidad de tiempo. 32 32 33 33 33 34 35 35 36 37 38 39 41 42 42 43 43 44 47 49 52 53 54 54 55 55 55 57 58 58 60

II

4.3.4.3 Disposicin del sistema de enfriamiento en el molde. 4.3.4.4 Clculo del tiempo total de un ciclo de inyeccin. 4.3.5 Proyecto del molde. Captulo V.- Resultados y discusiones. 5.1 Informacin bsica de entrada. 5.1.1 Primera etapa Identificacin de la necesidad de la pieza de plstico. 5.1.2 Segunda etapa Solicitud de diseo de la pieza. 5.1.3 Tercera etapa Informacin de produccin. 5.2 Diseo de molde. 5.2.1 Estudio previo del molde. 5.2.1.1 Cuarta etapa Solicitud de estudio previo y oferta de diseo. 5.2.2 Anteproyecto del molde. 5.2.2.1 Quinta etapa Aplicacin de Software para el estudio previo y oferta del molde. 5.2.2.2 Sexta etapa Interpretacin y aplicacin de los resultados del programa Clculos de diseo en moldes. 5.3 Proyecto del molde. 5.3.1. Sptima etapa Realizacin del proyecto del molde con ayuda de sistemas CAD/CAM/CAE . 5.4 Ejemplo de aplicacin. 5.4.1 Informacin bsica de entrada. 5.4.1.1 Primera etapa Identificacin de la necesidad de la pieza de plstico. 5.4.1.2 Segunda Etapa Solicitud de diseo de la pieza. 5.4.1.3 Tercera etapa informacin de produccin. 5.4.2 Diseo de molde. 5.4.2.1 Estudio previo del molde. 5.4.2.2.1 Cuarta etapa Estudio previo del molde y oferta de diseo. 5.4.2.1.1.1 Verificacin de la geometra de la pieza. 5.4.2.2 Realizacin del estudio de viabilidad de fabricacin del molde. 5.4.2.2.1 Seleccin del tipo de molde. 5.4.3 Anteproyecto del molde. 5.4.3.1 Quinta etapa Aplicacin de Software para el estudio previo y oferta del molde. 5.4.3.2 Sexta etapa Interpretacin y aplicacin de los resultados del programa Clculos de diseo en moldes. 5.4.3.2.1 Determinacin de la cantidad de cavidades del molde. 5.4.3.2.2 rea proyectada y fuerza de cierre. 5.4.3.2.3 Clculo de la capacidad de inyeccin. 5.4.3.2.4 Clculo de la capacidad de plastificacin. 5.4.3.2.5 Sistema de alimentacin (llenado). 5.4.3.2.5.1 Diseo de la seccin de la boquilla. 5.4.3.2.5.2 Salida de aire.

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III

5.4.3.4.6 Sistema de expulsin. 5.4.3.4.6.1 Desmoldeo de piezas obtenidas por inyeccin. 5.4.3.4.6.2 Configuracin de las varillas expulsoras. 5.4.3.4.6.3 Contraccin de la pieza. 5.4.3.4.7 Enfriamiento y tipo de enfriamiento. 5.4.3.4.7.1 Clculo del tiempo de enfriamiento. 5.4.3.4.8 Clculo del tiempo de inyeccin. 5.4.3.4.9 Clculo del tiempo del ciclo de inyeccin. 5.5 Proyecto del molde. 5.5.1 Sptima etapa Realizacin del proyecto del molde con ayuda de sistemas CAD/CAM/CAE . 5.6 Planos del molde Conclusiones y recomendaciones. Referencias

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IV

Lista de figuras. Titulo. Figura 1.1 Figura 1.2 Figura 1.3 Figura 1.4 Figura 1.5 Figura 1.6 Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 2.3 Figura 2.4 Figura 2.5 Figura 2.6 Figura 2.7 Figura 3.1 Figura 3.2 Figura 3.3 Figura 3.4 Figura 3.5 Figura 4.1 Figura 4.2 Figura 4.3 Figura 4.4 Figura 4.5 Figura 4.6 Figura 4.7 Figura 4.8 Figura 4.9 Figura 4.10 Figura 4.11 Figura 4.12 Figura 4.13 Figura 4.14 Figura 4.15 Figura 4.16 Figura 4.17 Figura 4.18 Figura 4.19 Figura 4.20 Figura 4.21 Figura 5.1 Figura 5.2 Figura 5.3 Figura 5.4 Juego de pelota. Productos fabricados con plstico. Mquina de compresin. Mquinas de inyeccin. Mquina de extrusin. Partes de una mquina de inyeccin. Inyeccin del material. Aplicacin de la presin de sostenimiento. Enfriamiento y extraccin de la pieza. Ciclo de operacin de termoplsticos. Ciclo de operacin de termofijos. Diagrama de presin de inyeccin vs. tiempo. Partes de un molde de inyeccin. Etapas de realizacin de cambios. Cadena productiva. Informacin fundamental general. Informacin general. Actividad disear el molde. Concentracin de esfuerzos. Curvas de costos para cavidades. Distribucin de reas para el diseo de cavidades. Fuerzas que actan en el proceso de inyeccin a presin. Caractersticas de la pieza a fabricar. Sistema de llenado. Tipos de boquilla. Configuracin del bebedero y la boquilla. Mazarota cnica o de barra. Perfiles de los canales de alimentacin. Dimensiones principales del canal parablico y trapezoidal. Configuracin de las entradas o canales de estrangulamiento. Perfil de velocidades en la seccin del molde. Curvas de velocidad de flujo, temperatura y gradiente de velocidad. Porcentaje de capa fra en funcin de la longitud de flujo recorrido. Canal de estrangulamiento rectangular con canal de llenado. Dimensionado del canal de estrangulamiento. Representacin esquemtica de varias varillas de expulsin. Entalpas de las masas termo plsticas. Disposicin en espiral de los canales de refrigeracin en piezas circulares. Disposicin rectilnea de los canales de refrigeracin en piezas rectangulares. Pieza requerida. Dimensiones de la pieza. Determinacin del peso de la pieza en Rhinomold V3. Detalle de las dimensiones de la pieza.

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Figura 5.5 Figura 5.6 Figura 5.7 Figura 5.8 Figura 5.9 Figura 5.10 Figura 5.11 Figura 5.12 Figura 5.13 Figura 5.14 Figura 5.15

Verificacin del ngulo de desmoldeo. Punzn y matriz del molde. Superficies analizadas. Verificacin del rea proyectada en la placa. Seleccin de la boquilla. Dimensiones propuestas para la boquilla y bebedero. Dimensiones del bebedero. Patrn de llenado, por el tipo de configuracin. Sistema de enfriamiento recomendado. Archivo CAD de las cavidades Archivo CAD tipo malla.

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Lista de tablas. Titulo. Tabla 2.1 Tabla 4.1 Tabla 4.2 Tabla 4.3 Tabla 4.4 Tabla 4.5 Tabla 4.6 Tabla 4.7 Tabla 4.8 Tabla 4.9 Tabla 4.10 Tabla 5.1 Tabla 5.2 Tabla 5.3 Tabla 5.4 Tabla 5.5 Tabla 5.6 Tabla 5.7 Tabla 5.8 Materiales ms utilizados por el mtodo de inyeccin. Espesores de pared sugeridos. Tipos de moldes. Tipos de moldes de acuerdo a su configuracin. Tipos de sistema de expulsin. Valores comunes de dimetros de varillas en relacin con la longitud. Contraccin en % de plsticos. Para la determinacin del tiempo de enfriamiento t segn la pieza. Conductividad trmica de algunos materiales de inyeccin. Tipos de lquidos intercambiadores de calor. Temperaturas de operacin. Propiedades del polietileno de alta densidad (PEAD). Caractersticas de la maquina marca Tat Ming modelo MA18-A. Espesores de pared sugeridos. Configuracin de moldes segn su clasificacin. Formatos de informacin acerca de la mquina MA 18-A para la aplicacin del ejemplo en el programa MATHCAD, base de datos en archivos del programa EXCEL. Formatos de informacin acerca del material PEAD para la aplicacin del ejemplo en el programa MATHCAD, base de datos en archivos del programa EXCEL. Lista de smbolos del programa Mathcad para las caractersticas de la mquina de inyeccin para el archivo Excel. Lista de smbolos del programa Mathcad para las caractersticas del material de inyeccin para el archivo Excel.

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Lista de Nomogramas. Titulo. Nomograma 4.1 Nomograma 4.2 Calculo del dimetro de entrada. Para el clculo del tiempo de enfriamiento.

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VII

Glosario.rea provista: Esto es el rea provista de las piezas y las anchuras. Se mide viendo la superficie del molde en los ngulos derechos. Abertura de ventilacin: Un canal pequeo o una ranura desde el borde de la cara de la cavidad hasta el borde del molde para permitir que el aire y el gas se escapen durante el proceso de moldeo. Ampolla: La elevacin redondeada y no deseada en la superficie del plstico, las fronteras que pueden ser perfiladas indefinidamente, pareciendo algo en forma como una ampolla en la piel humana. Anchura: La parte de un molde que proporciona la amputacin de la rebaba de la pieza moldeada. (1) La superficie de una boquilla de extrusin que est paralela a la direccin del flujo de la masa. ngulo de desmoldeo: La cantidad de conicidad en los lados del molde y la pieza moldeada requerida para la eliminacin fcil de la parte moldeada del molde. (El grado de conicidad en la pared lateral o el ngulo del espacio libre diseado para facilitar la eliminacin de las piezas de un molde.) Barra gua: Las espigas o barras en el molde que aseguran que se alinee apropiadamente las mitades del molde. Los elementos que mantienen la alineacin apropiada del mbolo de fuerza y la cavidad cuando el molde se cierra. Barras de expulsin: Las espigas de acero incrustadas en la cavidad del molde y conectadas a una placa separada de atrs del molde. La placa de expulsin est actuando cuando se abre el molde para forzar las espigas de expulsin contra la pieza moldeada y para empujarla fuera de la cavidad. Bebedero: El canal para el flujo del material de la boquilla del cilindro de inyeccin hasta los canales del molde. Boquilla: El extremo anterior de un cilindro de inyeccin, que restringe el flujo de material caliente por un orificio pequea. La boquilla est diseada para formar bajo la presin un sello entre el cilindro de calentar o la cmara de transferencia y el molde. El extremo anterior de la boquilla puede tener forma plana o esfrica. Buje: Los bujes cumplen la funcin de alinear las dos mitades del molde. Estos hacen pareja con los pernos gua. Canal (se refiere al molde): En un molde de inyeccin o transferencia, el canal que conecta el bebedero con la entrada y la cavidad. Capacidad de disparo (inyeccin): Esto es la cantidad de material que es capaz de inyectar la maquina en un ciclo; generalmente se mide en centmetros cbicos o en gramos y debe ser mayor que la cantidad de material necesario para llenar el molde.

VIII

Capacidad de plastificacin: La capacidad de plastificacin, es la indicacin de la cantidad de material referido a una hora de produccin que puede procesar la maquina. Carga: La cantidad de material requerida para llenar las cavidades del molde. Cavidad: La parte del molde que forma la superficie exterior de la pieza moldeada. Dependiendo del nmero de tales, los moldes estn diseados como un-cavidad o multi cavidad. Gracias a que el plstico se encoge o contrae, la cavidad esta siempre del lado fijo. Si se llega a quedar la pieza del lado fijo es porque s esta sobre-empacando el plstico o tiene algn negativo la cavidad. Ciclo: El tiempo que se tarda en completar una operacin de moldeo. Incluye la carga del molde, el cierre, la curacin, la abierta del molde y expulsin de la pieza del molde. En moldeo, el tiempo del ciclo es el perodo, o tiempo pasado, entre un punto cierto en un ciclo y el mismo punto del prximo. Cojinetes contra presin: Los bloques de acero fuera del rea de la cavidad que juntan cuando se cierra el molde para prevenir la presin excesiva en las anchuras de la cavidad. (Los refuerzos distribuidos alrededor de las reas muertas y las caras del molde para ayudar a las anchuras absorben la presin final del cierre sin derrumbarse.) Contrapresin: La presin desarrollada en el material por la rotacin del tornillo cuando se introduce por la fuerza el material en el tambor. (La resistencia de un material a causa de su viscosidad, para continuar fluyendo cuando est cerrado el molde.) Corazn (Macho): Al contraerse el plstico, este se adhiere fuertemente por lo que al abrirse el molde es ms fcil desmoldearlo. Esta parte se deja abierto todo el caudal del agua a fin de enfriar la pieza en el menor tiempo posible. Curacin: El tiempo requerido para congelar o polimerizar el material termoendurecido cuando est bajo calor y presin. (Para cambiar las propiedades fsicas del material por reaccin qumica, que puede ser condensacin, polimerizacin, o vulcanizacin; usualmente se logra por la accin de calor y catalizadores, solo o en combinacin, con o sin la presin.) Desperdicio: El disco redondo del material que se queda en la transferencia o pozo de pistn despus de que se llene el molde. El manguito del bebedero es el canal que conecta la boquilla del cilindro de inyeccin con el sistema de canales del molde. Entrada: Una abertura pequea y restringida entre el extremo del canal y el borde de la cavidad de un molde de inyeccin. Insercin: Un objeto moldeado en o presionado en una pieza moldeada, usualmente metal. (Una parte integral de un moldeo plstico que consiste de metal u otro material que puede ser moldeado en una posicin o puede ser presionado en la parte despus de que el moldeo est completado.)

IX

La unidad de cierre: Es principalmente el lugar donde vamos a poner el molde. Una unidad de cierre por muy grande que sea solo tendr un 10% de su fuerza de cierre para ejercer la apertura. La unidad de inyeccin: Nos ayuda a introducir el material plstico al interior del molde. La presin de inyeccin permanecer ms o menos constante mientras que la velocidad de inyeccin aumentar con el tamao de la mquina. Molde familiar: Un molde con multi-cavidades que contiene varias cavidades de tamaos y formas diferentes. (Un molde de multi-cavidad en donde cada de las cavidades forman una de las piezas que lo integran del objeto montado y acabado. El trmino est aplicado a menudo a moldes cuyas piezas de clientes diferentes son agrupadas juntas en un molde para la economa de produccin. Algunas veces se refiere al molde como combinacin.) Molde: Una forma hueca de la cavidad en que el material de plstico lquido est introducido para dar la forma del componente requerido. En trminos generalmente se refieren al montaje completo de los elementos que componen la seccin del equipo de moldeo en la que las piezas estn formadas. Perno recuperador: Su funcin es la de asegurar que la placa de expulsores se regrese hacia atrs durante el cierre del molde. Esto asegura que los pernos expulsores no peguen en las cavidades. Cuando el sistema de expulsin es hidrulico se debe acoplar el sistema de expulsin al botador de la mquina. Pistn: La parte de una prensa de inyeccin o compresin que se aplica la presin en el material plstico no fundido para empujarlo en la cmara, que a su vez fuerza la fundicin del plstico al frente de la cmara fuera de la boquilla. Placa porta-cavidad: Es la que lleva la cavidad o cavidades. Tambin aloja el perno gua. Normalmente es de acero tratado. Placa porta-corazn: Es la que lleva los corazones o machos. Normalmente es de acero tratado. Tambin el buje.

Placa porta molde: Las placas superiores e inferiores de una prensa en que las mitades del molde estn unidos con pernos. (Las placas de fijacin de una prensa para moldeo por inyeccin o compresin, en que el montaje entero est unido con pernos.) Plasticidad: Un trmino usado para describir el grado en el que el material fluye bajo el calor y presin. (Una propiedad de plstico que permite que el material sea deformado continuamente y permanente sin ruptura en la aplicacin de una fuerza que excede el valor de productividad del material.) Polimerizacin: La reaccin qumica que ocurre al moldear durante curacin. (Una reaccin qumica en que las molculas se juntan para formar molculas grandes cuyo peso molecular es multiplicado de la sustancia original. Cuando dos o ms monmeneres estn involucrados, el proceso se refiere al copolimerizacin o heteroipolimerzacin.

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Preforma: Un bloque de material comprimido. ((1) Una pastilla comprimida o galleta de compuesto plstico usado para eficacia en manejar y la exactitud en pesar los materiales.) (2) Para hacer el polvo de moldeo plstico a grnulos o pastillas.) Purificacin: Se refiere a la limpieza de un color o tipo de material del cilindro de una mquina de moldeo por inyeccin extrayndolo para ingresar un color nuevo o un material para ser usado en produccin subsiguiente. Rebaba: El material excesivo que fluye fuera de la cavidad del molde bajo la presin. (El plstico extra adjuntado a un molde por la lnea de separacin; bajo la mayora de condiciones sera desagradable y tiene que ser eliminada antes de considerar las piezas aceptables.) Respiracin: La abertura y el cierre del molde para permitir que los gases puedan escapar durante el ciclo de moldeo.

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Resumen. En este trabajo se presenta una metodologa para el diseo de moldes de inyeccin de plstico basada en la ingeniera concurrente, se realiza una secuencia de actividades con diferentes recomendaciones para llevar a cabo un buen diseo de moldes de una manera ms rpida, para lo cual se presentaron los modelos de informacin involucrados en la tarea de diseo de moldes tiles para la ingeniera concurrente, as como la integracin de un programa en MATHCAD 11, para hacer ms fcil y rpida la solucin de los modelos matemticos en la tarea de diseo de moldes en su fase de anteproyecto de diseo, as mismo en el ejemplo de aplicacin de la metodologa se utiliz el programa RHINOMOLD v3.

Abstract. In this work a methodology for the design of molds of plastic injection based on concurrent engineering appears, are made different recommendations to carry out a good design of molds of a way but fast, for which the models of involved information in the task of design of useful molds for concurrent engineering appeared, as well as the integration of a program in MATHCAD 11, to make but the solution fast and easy of the mathematical models in the task of design of molds in its phase of design first draft, also in the example of application of the methodology I am used program RHINOMOLD v3.

XII

Objetivo. La aportacin de elementos a la industria de la transformacin del plstico, que faciliten la labor de disear moldes de inyeccin, as como la implementacin de la ingeniera concurrente, para obtener tiempos de respuesta ms rpidos y consecuentemente el tener mayor ventajas competitivas en una economa globalizada. Este objetivo principal viene acompaado de otros parciales, como son: Implementar la metodologa de la ingeniera concurrente con todo lo que ello implica. Desarrollar un proceso de diseo de moldes de inyeccin basada en el diseo de cada componente. Una recopilacin de informacin acerca del diseo de moldes de inyeccin de plstico, que permita realizar un ptimo diseo de moldes. Un anlisis de los modelos de informacin presentes en el ciclo productivo de una pieza de plstico.

XIII

Justificacin. La realidad de las empresas nacionales que se dedican a la produccin de piezas de plstico por inyeccin, es que gran parte de los moldes los obtienen de pases con un mayor desarrollo tecnolgico. Por lo anterior es notorio que la situacin de la industria nacional del plstico revela la urgente necesidad del desarrollo de capacidades tecnolgicas propias para los fabricantes de moldes, maquiladores, transformadores para el mercado interno y usuarios integrados, que les permita competir con ventaja en un mundo globalizado. Es una necesidad el desarrollo de tecnologas en Mxico para la generacin de diseos de moldes propios, por tal motivo el presente trabajo pretende desarrollar una metodologa que permita el diseo de moldes de inyeccin, adems de que se desea aplicar la ingeniera concurrente durante el proceso de diseo, esto con el objetivo de reducir el tiempo de puesta en mercado, a travs de la integracin de todas las actividades involucradas en el diseo de moldes desde su fase de definicin, asegurando que se realice un mejor producto con plazos de ejecucin ms cortos y con una mejora de la calidad.

XIV

Introduccin. La industria de productos plsticos ha tenido un crecimiento muy grande desde 1945 y una gran parte de ste crecimiento ha sido en la inyeccin de plsticos. Esto ha creado una necesidad cada vez mayor desde entonces, de moldes para inyeccin de plstico cada vez ms complejos y exigentes. Desde el diseo hasta la construccin de un molde de inyeccin de plstico existe una serie de pasos y factores que deben visualizarse en todo momento. En un mundo cada vez ms globalizado la velocidad de respuesta es un factor primordial para aprovechar las ventajas competitivas que involucra poner un producto en el mercado antes que otra empresa. Se ha observado que con el concepto de ingeniera concurrente esto es una realidad ya que esta metodologa esta siendo implementada por la industria automotriz en todo el mundo.

XV

XVI

Captulo IGeneralidades.

1

1.1 Estado del arte. En la actualidad, cualquier persona que observe a su alrededor se dar cuenta de una diversidad de objetos producidos a partir de diferentes materiales como madera, metales, rocas, cermica, vidrio, huesos, entre otros. Entre los materiales ms utilizados actualmente destacan los plsticos. Cada da alcanzan un papel ms importante, en la vida cotidiana, resaltando aun ms lo obtenidos por el proceso de inyeccin [1]. El inicio de la utilizacin del proceso de inyeccin data con exactitud del ao de 1872, cuando J. W. Hyatt resolvi el problema de plastificar y conformar una mezcla de nitrocelulosa y alcanfor con su "mquina de empaquetar" [2], y fue en 1878 cuando fabrica aquel que es posible considerar como el primer molde de inyeccin, siendo esto un paso primordial en el proceso de transformacin por medio de la inyeccin del plstico. A partir de 1921 ao en que Eichengrun y H. Buchholz patentaron lo que se considera la primera moldeadora moderna (Mquina de inyeccin) en la que el celuloide pasaba a un estado lquido antes de ser introducida bajo presin hacia el interior del molde [2], comienza el inicio de la era de la inyeccin del plstico, aunque este equipo tena muchos problemas en el control de la temperatura y en el proceso en general, aunado a la falta de moldes para ser utilizados en esta maquina [3]. El primer molde comercial de inyeccin fue hecho en Alemania en 1926 por Eckert y Ziegler: lo patentaron con l nmero 495362, y era un molde horizontal incorporado a una maquina, en el cual el molde era guiado por aire a presin, con la mitad fija en una placa mvil. La industria de los plsticos paso de nivel artesanal al mbito de la produccin industrial, con ciclos rpidos de produccin para esos tiempos [2]. En 1935, la firma alemana Franz Brawn A.G. present un compresor con inyeccin automtica, dando as un gran avance en los equipos de inyeccin, trayendo como consecuencia la exigencia del desarrollo de moldes ms rpidos y eficientes. La fabricacin de moldes y maquinas de inyeccin de plsticos a partir de la dcada de los 70 acelera su crecimiento en pases desarrollados. En el caso de los moldes de inyeccin, la utilizacin de maquinas herramientas convencionales con una capacidad de maquinado con tolerancias ms estrechas trajo consigo la fabricacin de moldes cada ves ms exactos logrando con ello la sustitucin de piezas metlicas, vidrio, cermica y madera, por piezas plsticas logrando as una incursin rpida en la industria automotriz y electrnica, al cumplir con especificaciones tcnicas cada vez ms rigurosas [3]. Aunque los moldes de inyeccin eran cada vez ms exactos los tiempos de desarrollo y maquinado eran largos, por lo cual el contar con sistemas de manufactura ms modernos era una prioridad. Con la llegada de los sistemas CAD/CAM y herramentales ms modernos estos tiempos de desarrollo y manufactura fueron disminuyendo logrando as que las piezas de plstico incursionaran, ms rpidamente en el mercado, con una calidad mayor y a un menor precio.

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Todos estos aspectos histricos son los que determinaron la evolucin de la Industria plstica y sus aportaciones ms importantes en el contexto mundial se han podido ver en los ltimos 20 aos. 1.2 Historia del plstico. Plstico proviene de PLASTIKOS palabra griega que significa susceptible de ser modelado o moldeado. La historia del plstico data desde 1839, cuando Charles Goodyear vulcaniza la goma, hasta llegar a nuestros das en que existen una gama de procesos y productos plsticos.

Figura 1.1 Juego de pelota. Caa la Gran Tenochtitln bajo el asedio hispano y ya circulan en Espaa escritos del Mrtir de Anglera que mencionaban la existencia de una materia elstica obscura procedente de la desecacin de una savia vegetal que se poda apelmazar y extender a voluntad, totalmente impermeable al agua. Otros autores de libros y escritos siguieron mencionando ese producto: Sahagn en 1529, Fernndez de Oviedo en 1535, Antonio Herrera y Tordesillas, entre otros.

1.3 Aplicaciones del plstico. El empleo de los materiales plsticos en la actualidad es destacable, da con da alcanza un papel ms importante, la popularizacin de los plsticos se debe, bsicamente a su bajo costo de produccin, poco peso, elevada resistencia y a la posibilidad de fabricacin de piezas en las ms variadas formas, tamaos y colores, figura 1.2 Prcticamente el plstico es utilizado en todas las reas de la ingeniera. Es imposible mencionar todas las aplicaciones tanto domsticas como industriales que tiene actualmente. Entre las aplicaciones del plstico en productos de consumo estn los juguetes, los artculos deportivos y dems [2].

Figura 1.2 Productos fabricados con plstico.

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Un ejemplo importante que demuestra el incremento del uso del plstico y la importancia que tiene, se ve reflejado al analizar la evolucin del automvil; en los modelos ms recientes es notorio que la sustitucin de piezas de metal, por plstico en sus componentes ha aumentado [1]. 1.4 Procesos de manufactura del plstico y mquinas utilizadas. La fabricacin de los plsticos y su manufactura implica cuatro pasos bsicos que son: La obtencin de la materia prima, la sntesis del polmero bsico, la composicin del polmero como un producto utilizable industrialmente y el moldeo deformacin del plstico en su forma definitiva. El moldeo del plstico consiste en dar la forma y medida deseada a un plstico por medio de un molde. El molde es una pieza hueca en la que se vierte el plstico fundido para que adquiera su forma. Para ello los plsticos se introducen a presin en los moldes. En funcin del tipo de presin, se tienen: moldeo a alta presin y moldeo a baja presin. El moldeo a alta presin, se realiza mediante mquinas hidrulicas que ejercen la presin suficiente para el moldeado de las piezas. Bsicamente existen tres tipos [4]: Compresin. Inyeccin. Extrusin.

Compresin: En este proceso, el plstico en polvo es calentado y comprimido entre las dos partes de un molde mediante la accin de una prensa hidrulica, ya que la presin requerida en este proceso es muy grande. Fig. 1.3

Figura 1.3 Mquina de compresin.

Inyeccin: Consiste en introducir el plstico granulado dentro de un cilindro, donde se calienta. En el interior del cilindro hay un tornillo sinfn que cuando el plstico se reblandece lo suficiente, lo inyecta a alta presin en el interior de un molde de acero para darle forma. El molde y el plstico inyectado se enfran mediante unos canales interiores por los que circula agua. Por su economa y rapidez, el moldeo por inyeccin resulta muy indicado para la produccin de grandes series de piezas. El equipo utilizado es una mquina de inyeccin, figura 1.4.

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Figura 1.4 Mquinas de inyeccin.

Extrusin: Consiste en moldear productos de manera continua, ya que el material es empujado por un tornillo sinfn a travs de un cilindro que acaba en una boquilla, la que produce una tira de longitud indefinida. Cambiando la forma de la boquilla se pueden obtener barras de distintos perfiles. Tambin se emplea este procedimiento para la fabricacin de tuberas, inyectando aire a presin a travs de un orificio en la punta del cabezal. El equipo utilizado es una mquina de extrusin, figura 1.5.

Figura 1.5 Mquina de extrusin.

Moldeo a baja presin: El moldeo a baja presin, se emplea para dar forma a lminas de plstico mediante la aplicacin de calor y presin hasta adaptarlas a un molde. Se emplean, bsicamente, dos procedimientos: El primero consiste en efectuar el vaco absorbiendo el aire que hay entre la lmina y el molde, de manera que sta se adapte a la forma del molde. El equipo utilizado es una mquina de termoformado al vaco. El segundo procedimiento consiste en aplicar aire a presin contra la lmina de plstico hasta adaptarla al molde. Este procedimiento se denomina moldeo por soplado. Colada: La colada consiste en el vertido del material plstico en estado lquido dentro de un molde, donde fragua y se solidifica. La colada es til para fabricar pocas piezas o cuando se emplean moldes de materiales baratos de poca duracin, como escayola o madera. Debido a su lentitud, este procedimiento no resulta til para la fabricacin de grandes series de piezas.

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Espumado: Consiste en introducir aire u otro gas en el interior de la masa de plstico de manera que se formen burbujas permanentes. Por este procedimiento se obtiene la espuma de poliestireno, la espuma de poliuretano (PUR), entre otras. Calandrado: Consiste en hacer pasar el material plstico a travs de unos rodillos que producen mediante presin, lminas de plstico flexibles de diferente espesor. El equipo utilizado es una mquina de rotomoldeo. 1.5 La mquina de inyeccin. La mquina de inyeccin, tiene la funcin de inyectar el plstico en un molde en el que se encuentra impresa la forma de la pieza final. 1.5.1 Tipos de mquinas de inyeccin. La gran diversidad y complejidad de los productos obtenidos a partir del mtodo de moldeo por inyeccin exige, que exista una diversidad de mquinas de inyeccin que faciliten los requisitos exigidos en procesos de produccin, entre las que destacan [4], [5]: 1. Con sistema de Pre-plastificacin. 2. Para moldeo descentrado. 3. Giratoria (FiFo). 4. De inyeccin de multicomponentes. 5. De coinyeccin (proceso sndwich). 6. De inyeccin de pintura en el molde (IPT). 7. De inyeccin para espumas rgidas. 8. De inyeccin asistida por gas. 9. De moldeo por inyeccin reactiva (RIM). 10. De inyeccin con fundido pulsante. Adems de los distintos tipos de mquinas, existen tambin distintos arreglos en las unidades de inyeccin, como lo son: 1. 2. 3. 4. Inyeccin y cierre horizontal (posicin normal). Cierre horizontal con inyeccin vertical. Cierre e inyeccin vertical. Cierre vertical e inyeccin horizontal.

1.5.2 Descripcin de la mquina de inyeccin. La descripcin se refiere al tipo normal de mquinas de inyeccin [6]. Una mquina de moldeo por inyeccin tiene como funcin realizar un ciclo de trabajo, con un molde de inyeccin de plstico, para lo cual el molde es montado en las dos unidades principales, que son la unidad de cierre y la unidad de inyeccin. En una mquina de inyeccin pueden identificarse diferentes partes fundamentales, las cuales normalmente se agrupan dentro de las siguientes unidades [5]:

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1. 2. 3. 4.

Unidad de cierre. Unidad de inyeccin. Unidad de potencia. Unidad de control.

1.- La unidad de cierre; Cuenta con los dispositivos necesarios para la colocacin accionamiento y funcionamiento de las dos mitades del molde, su funcionamiento es semejante al de una prensa de compresin [4]. Por razones de costo, frecuentemente se utiliza un sistema mecnico a base de palancas acordadas para mquinas con capacidad de hasta 10 000 KN de fuerza de cierre, mientras que para mquinas mayores se prefiere el sistema hidrulico [5]. 2.- La unidad de inyeccin; Comprende las partes necesarias de la mquina para la carga, plastificacin e inyeccin de plstico. Esta unidad tiene la funcin de cargar y plastificar el material slido mediante el giro axial del tornillo con la finalidad de inyectar el material plastificado hacia las cavidades del molde y mantenerlo bajo presin hasta que sea eyectado. Existen tres tipos importantes de unidades de inyeccin [5]: 1. Unidades de pistn de una fase. 2. Unidades de pistn de dos fases pistn-tornillo. 3. Unidades en lnea con tornillo alternativo. En la actualidad el ms usado es la unidad en lnea con tornillo alternativo. 3.- La unidad de potencia: Comprende el conjunto de dispositivos necesarios de la mquina para transformar y suministrar la fuerza motriz a la unidad de inyeccin y de cierre. Las mquinas emplean dos sistemas de potencia uno para el cierre del molde y otro para la inyeccin [5]. 4.- La unidad de control: Es la parte necesaria de la mquina para que se realice el proceso de una forma predeterminada y pueda variarse. El sistema de control est ligado ntimamente al de potencia, a travs del cual las distintas seales se convierten en movimientos de las unidades de inyeccin y cierre [5]. 1.5.3 Caractersticas principales de una mquina de inyeccin. Las caractersticas principales de una mquina de inyeccin son aquellas que permiten definir las limitaciones en el tamao y en el peso de la pieza a inyectar, tamao de molde, produccin, entre otros, estas caractersticas generales incluyen las especificaciones del fabricante de la mquina, en las cuales destacan las unidades de presin y de cierre, ya que es ms comn disear un molde para utilizarlo en una mquina determinada, que disear un molde y buscar un modelo de mquina que cumpla con los requerimientos del mismo . Las partes principales de una maquina de inyeccin se muestra en la figura 1.6

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Figura 1.6 Partes de una mquina de inyeccin.

La unidad de inyeccin es la parte plastificante de la mquina se tienen varias caractersticas de importancia, que permiten definir y comparar capacidades [5]: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Dimetro del husillo. Volumen a inyectar. Presin de inyeccin. Relacin L/D. Velocidad mxima del husillo. Velocidad de inyeccin. Capacidad de plastificacin.

Entre las principales caractersticas de la unidad de cierre estn [5]: 1. 2. 3. 4. Fuerza de cierre. Altura mxima del molde. Carrera de apertura. Espacio entre barras.

Dentro de la unidad de cierre, el tamao mnimo de una prensa est determinado por la presin requerida para cerrar el molde durante el ciclo de moldeo.

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Captulo IIProceso de moldeo del plstico.

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2.1 Clasificacin de los plsticos. La clasificacin de los plsticos [7] esta definida por las propiedades fsicas y qumicas de las resinas que los constituyen, existen dos grupos principales: los termoplsticos y los termofijos. Su clasificacin se basa por su capacidad para volver a ser fundidos mediante el uso de calor. Los termoplsticos son resinas con una estructura molecular lineal que durante el moldeo en caliente no sufren ninguna modificacin qumica, adems la accin del calor causa que estas resinas se fundan, solidificndose rpidamente por enfriamiento de aire o al contacto con las paredes del molde. Las resinas termofijas pueden ser fundidas una sola vez. (Esta es la principal diferencia de los plsticos termofijos y termoplsticos), estas resinas bajo la accin del calor se funden inicialmente, pero si s continua aplicando calor, experimentan un cambio qumico irreversible, el cual provoca que las resinas se tornen infusibles (no se plastifiquen) e insolubles [8]. La tabla 2.1 muestra las principales resinas utilizadas en la industria de la inyeccin del plstico.Tabla 2.1 Materiales ms utilizados por el mtodo de inyeccin.

Resinas Termofijas. Fenolicas. Melaminicas.

Smbolo. ISO 1043 PF. MF. MPF

Denominacin. Resina fenolfolmadehido. Resinamelaminaformaldehdo. Resinamelamina-fenolformaldehdo. Resina ureaformaldehdo.

Resinas Termoplsticas. Acrlicas. Celulositas.

Smbolo. ISO 1043 PMMA CA CAB CP PS SB ABS SAN PVC PVAC PE PP POM PA 66 PA 6 PA 610 PA 11 PA 12 PC PBTP PETP PPO PUR FEP ETFC PCTFE

Denominacin. Polimetil-metacrilato. Acetato de celulosa. Acetabutirato de celulosa. Polipropinato de celulosa. Poliestireno. Poliestireno de alto impacto. Acrilonitrilo-butadienoestireno. Acrilonitrilo-estireno. Cloruro de polivinilo. Poliacetato de vinilo. Polietileno. Polipropileno. Poliacetal (poli-simetileno). Poliamida 66. Poliamida 6. Poliamida 610. Poliamida 11. Poliamida 12. Policarbonato. Polibutiln-tereftalato. Polibutiln-tereftalato. Polixido de fenileno. Poliuretano termoplstico Fluoro etileno-propileno. Tetrafluoroetileno-etileno. Trifluoroetileno-policloro.

Ureicas. UF.

Estirenicas.

Arlicas. Alquidicas. Epxicas. Poliesteres insaturados.

--PDAP EP. UP.

Resina alqudica. Resina allica (policialilftalato. Resina epxica. Resina polister (insaturada).

Vinlicas. Poliolefinicas. Poliacetalicas Poliamidas.

Poliuretanos. (con estructura reticulada) Silicnicas. (con estructura reticulada)

PUR.

Resina poliuretnica. (rgida flexible) Resina silicnica (rgida o flexible)

Policarbonatos. Poliesteres Termoplsticos. Polifenilnicas. Poliuretanos (Con estructura lineal). Resinas Fluoro-carbnicas.

SI.

Existe un tercer grupo el grupo de los elastmeros (es decir polmeros elsticos), que comprenden los hules naturales y los hules sintticos, se caracterizan por una elevada elongacin del orden entre el 200% y el 1000%, con relacin a su dimensin inicial.

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2.2 Tecnologa de moldeo de materiales plsticos. La diferencia en la tecnologa de moldeo [7] para los materiales termofijos y los termoplsticos, est dada principalmente por la temperatura de procesamiento es decir, los materiales termoplsticos deben ser calentados (a la temperatura de fusin) para ser inyectados despus en moldes fros para que se solidifiquen y los materiales termofijos (reticulables) al contrario, deben ser comprimidos, plastificados e inyectados a bajas temperaturas en moldes calientes para completar la reaccin de reticulacin y endurecimiento. 2.3 Moldeo por inyeccin de plstico. 2.3.1 El ciclo de inyeccin. Los ciclos de operacin para las dos clasificaciones de plsticos ms comunes, por sus caractersticas, son distintos, entendiendo como ciclo de inyeccin, la secuencia de operaciones para la produccin de una pieza. Un ciclo de inyeccin para los materiales termoplsticos, sigue las siguientes etapas [5]: 1. Se cierra el molde vaci, mientras se tiene lista la cantidad de material fundido que se va a inyectar dentro del barril de la mquina. 2. Se realiza la inyeccin al introducir material mediante un tornillo, el cual acta como pistn (sin girar), forzando el material a pasar a travs de la boquilla hacia las cavidades del molde, con una determinada velocidad y presin de inyeccin, figura 2.1

Figura 2.1 Inyeccin del material.

3. Una vez terminada la inyeccin, se mantiene la presin sobre el material inyectado en el molde antes de que solidifique, esto es para contrarrestar la contraccin de la pieza durante su enfriamiento y se conoce como presin de sostenimiento o pospresin (tambin conocida como presin de compactacin o de recalque) y normalmente se aplican valores menores a los de inyeccin. Una vez que comienza a solidificar la pieza puede liberarse la aplicacin de est presin, figura 2.2.

Figura 2.2 Aplicacin de la presin de sostenimiento.

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4. El tornillo gira haciendo circular los grnulos de plstico desde la tolva y plastificrlos. El material fundido es suministrado hacia la parte delantera del tornillo, donde se desarrolla una presin contra la boquilla cerrada, obligando al tornillo a retroceder hasta que se acumula el material requerido para la inyeccin [5]. 5. El material dentro del molde se contina enfriando en donde el calor es disipado por el fluido refrigerante. Una vez terminado el tiempo de enfriamiento, la parte mvil del molde se abre y la pieza es extrada, figura 2.3.

Figura 2.3 Enfriamiento y extraccin de la pieza.

6. El molde cierra y se reinicia el ciclo. 2.3.2 Factores que influyen en el proceso de moldeo. Las variables de moldeo para los materiales termoplsticos (que son los materiales ms comunes de inyectar), se dividen en tres grandes grupos que consisten en: 1. Materiales de moldeo (fluidez, comportamiento trmico, propiedades fsicas.) La viscosidad y la fluidez de los polmeros en los estados fundidos tienen grandes variables que dependen tanto de las propiedades intrnsecas de las resinas como de las condiciones en que se realiza el moldeo, las variaciones de la temperatura, presiones y tiempos de inyeccin pueden facilitar el llenado de un molde complejo o al contrario puede dar como resultado piezas moldeadas frgiles, aunque aparentemente bien hechas. 2. Condiciones de moldeo (temperatura de la masa fluyendo, temperatura del molde, presiones y tiempos de inyeccin, tiempo de enfriamiento.) Dentro de las condiciones de moldeo los factores que mayoritariamente influyen en el proceso son 3 principalmente: La temperatura, la presin y el tiempo. 3. Mquinas y moldes (sistema de plastificacin, capacidad y volumen de inyeccin, fuerza de cierre del molde, dimensiones de las platinas en la mquina y en los moldes aplicables, sistema de regulacin y de control de todos los parmetros de moldeo, tipo de molde y sistema de alimentacin y termorregulacin.) La variacin de estos factores y la interaccin son de gran importancia cuando se tiene que probar un molde o iniciar la produccin de piezas moldeadas, de la misma manera es imposible determinar cual factor es el ms importante s la temperatura, la presin, las velocidades el tiempo [8]. 12

2.3.2.1 Temperatura. Dentro del proceso de plastificacin las variaciones de la temperatura de fusin o de plastificacin juegan un papel diferente, segn sea el caso de un material termoplstico o un material termofijo. En los materiales termoplsticos, la viscosidad es constante cuando la temperatura es constante, por consiguiente, las variaciones de temperatura de un material termoplstico se traducen en variaciones de viscosidad. Por esa razn es posible llenar ms rpido un molde simple o complejo con un aumento de temperatura que disminuya la viscosidad [8]. El comportamiento de la temperatura durante el ciclo de inyeccin de un material termoplstico es como indica la figura 2.4.

Ciclo de operacin para los termoplsticos, se puede observar que la curva de la temperatura trazada a lo largo del recorrido del material indica que el material viene precalentado y plastificado a alta temperatura del orden de 220C a 130C en el cilindro de plastificacin con husillo giratorio. Enseguida, el material plastificado se inyecta a presin dentro del molde, el cual est dispuesto a enfriar el plstico de 60C y 70 CFigura 2.4 Ciclo de operacin de termoplsticos.

En el caso de los materiales termofijos la relacin temperatura - viscosidad depende tambin del tiempo. La temperatura de la masa fundida del material de moldeo es controlada por las temperaturas del tambor. Las camisas de agua alrededor del tambor, ayuda a regular el punto en que el material empezar a convertirse en plstico. La velocidad del tornillo, velocidad de inyeccin y contrapresin crean calor por friccin. Para mantener una temperatura de fusin consistente y trabajable, todas las variables tienen que ser coordinadas y ajustadas. La temperatura de la masa fundida no puede estar tan caliente que el material cure antes de que pueda llenar las piezas, ni tan fra que los tiempos del ciclo tengan que ser extendidos para producir piezas aceptables del molde [6]. El comportamiento de la temperatura durante el ciclo de inyeccin de un material termofijo es como indica la figura 2.5, donde se observa un incremento de temperatura en la zona del molde.

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Ciclo de operacin para los termofijos, se puede observar que la curva de la temperatura trazada a lo largo del recorrido del material indica que el material viene precalentado y plastificado a baja temperatura del orden de 70C a 90C en el cilindro de plastificacin con husillo giratorio. Enseguida, el material plastificado se inyecta a presin dentro del molde, el cual est calentado a alta temperatura.Figura 2.5 Ciclo de operacin de termofijos.

El control de la temperatura para ambos casos, es un factor de gran importancia, ya que garantiza la calidad requerida en un proceso de moldeo por inyeccin. Es importante sealar, que adems existe transmisin de calor por factores externos como lo es el cilindro de plastificacin, que suma el calor generado por el tornillo el cual gira y mezcla el material. Los factores que influyen en dicha transmisin son: 1. La forma del husillo (tornillo). 2. La variacin de su velocidad de rotacin. 3. Los valores de contrapresin. Para llevar el control de la temperatura se insertan una serie de termopares en las diferentes zonas del recorrido del material desde la tolva hasta la boquilla, los termopares estn conectados a sistemas de control que mantienen la temperatura en un rango ya determinado por el operador. 2.3.2.1.1 Viscosidad del material. Es una caracterstica intrnseca del material plstico inyectado y simboliza la "dificultad o facilidad" con la que el material fluye dentro de un determinado conducto [8]. Puesto que los materiales polimricos no son newtonianos, su viscosidad no es constante y depende de dos parmetros: la temperatura a la que se encuentra el material y el gradiente de velocidad (shear rate) al que se somete el material al fluir dentro de la cavidad [7].

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2.3.2.2 Presin. La presin de inyeccin es una presin requerida para vencer la resistencia que el material fundido produce a lo largo de su trayectoria, la resistencia es originada por: La brusca reduccin de seccin correspondiente a la boquilla, los canales de alimentacin y de las entradas al molde. La longitud de la trayectoria y la geometra ms menos complicada de la cavidad que debe de producir la pieza moldeada. El material que progresivamente se endurece a lo largo de su trayectoria.

En la generacin de la presin de inyeccin se ven involucrados los siguientes elementos de la mquina: 1. 2. 3. 4. Cilindro de inyeccin. Motor hidrulico para la rotacin del husillo. Cilindro para el movimiento de la unidad de inyeccin. Cilindro para el accionamiento del grupo de cierre de moldes.

El ciclo de inyeccin esta dividido en dos etapas: la presin primaria y secundaria, donde intervienen diversos valores de presin en tiempos sucesivos. La intensidad y duracin de cada periodo se ve influida en diferente medida sobre las caractersticas fsico-mecnicas y de contraccin de las piezas moldeadas [7],[8]. La presin en el material est controlada por la presin primaria que mueve el tornillo hacia adelante a una velocidad rpida para llenar las cavidades. La presin secundaria completa el llenado de las cavidades y mantiene la presin en el material hasta que sea curado suficientemente para permitir al tornillo regresar [6]. En la figura 2.6 se observa la presin de inyeccin en funcin con tiempo en una mquina con dos presiones regulables independientes: p1 primera presin, P2 segunda presin (presin de sostenimientos o pospresin). Las presiones se han medido en el cilindro hidrulico.

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Figura 2.6 Diagrama de presin de inyeccin vs. Tiempo [8].

2.3.2.3 Velocidades y tiempo. Cuando se habla de velocidad de inyeccin se hace referencia al avance o carrera axial del husillo en la fase de inyeccin. La velocidad y el tiempo de inyeccin estn obviamente ligadas porque varan en razn inversa: Este parmetro depende, del sistema hidrulico y de inyeccin [8] 2.3.2.3.1 Velocidad de rotacin del husillo. Determina la capacidad de plastificacin de la mquina (Kg/h), pero influye tambin la homogeneidad y la uniformidad de la temperatura del material fundido en el cilindro. El aumento de las R.P.M del husillo (y por lo tanto de su velocidad perifrica) hace incrementar la cantidad de calor generado por la friccin. Los valores de rotacin del husillo estn dados por R.P.M sin referencia al dimetro del husillo, es ms importante considerar la velocidad perifrica del tornillo en metros por segundo, por que est en funcin del dimetro y de las revoluciones por minuto [8]. Algunos valores de velocidades comunes de rotacin para diferentes materiales segn la viscosidad son los siguientes [6]: 1. Materiales muy fluidos 0.6 a 1.2 m/s. 2. Materiales con fluidez media 0.3 a 0.6 m/s. 3. Materiales termofijos elastmeros 0.6 a 1.2 m/s. 2.3.2.3.2 Tiempo de enfriamiento para piezas termoplsticas. El tiempo de enfriamiento para termoplsticos, condiciona la duracin del ciclo de moldeo y por lo tanto la productividad de la mquina.

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Pero el clculo exacto del tiempo de enfriamiento es ms menos complejo, debido a que se trata de un intercambio de calor que depende de muchas variables, como son: 1. 2. 3. 4. 5. La temperatura del material fundido. La temperatura de solidificacin del material. El coeficiente de conductividad trmica del material. Temperatura del molde. Espesor de la pieza moldeada.

2.3.2.3.3 Tiempo de enfriamiento para piezas termofijas. El tiempo de enfriamiento para piezas termofijas depende de la propiedad intrnseca de la resina bsica que constituye el aglutinante del compuesto de moldeo. La duracin de enfriamiento est limitado por dos variables que son: 1. Plastificacin del material que ser inyectado en el prximo ciclo. 2. Endurecimiento de la cantidad de material inyectado en el molde. 2.4 Moldeo por inyeccin de plstico. 2.4.1 La funcin del molde de inyeccin. Un molde de inyeccin de plsticos tiene la funcin de recibir el plstico caliente de una mquina de inyeccin con una alta presin para llenar las cavidades, una vez fro el plstico, se expulsa. Un molde contiene la forma inversa del producto deseado [5]. 2.4.2 Clasificacin de los moldes. La clasificacin de los moldes est dada por las caractersticas fsicas y de trabajo [9]: 1. Por su tamao: a).- Grandes. b).- Pequeos. 2. Por nmero de cavidades: a).- De una sola cavidad. b).- De mltiples cavidades. 3. Por la forma de trabajar: a).- Manuales. b).- Semiautomticos. c).- Automticos. 4. Por el tipo de construccin: a).- De dos mitades o platos. b).- De tres placas. c).- Sin sobrantes.

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2.4.3 Descripcin de los moldes. Para una descripcin ms sencilla de un molde de inyeccin, se toma la representacin ms comn que consiste en un molde de dos placas o mitades [9]. Las partes del molde se pueden dividir por sus funciones en los siguientes sistemas: 1. 2. 3. 4. Sistema de alimentacin. Sistema de expulsin de la pieza. Sistema de refrigeracin. Guiado del molde.

En la figura 2.7 se observan los componentes de un molde de inyeccin de plstico.

Figura 2.7 Partes de un molde de inyeccin.

2.5 Situacin actual de la fabricacin de moldes en Mxico. El comienzo de la produccin de grandes volmenes de plstico, comienza con la sustitucin de piezas de materiales metlicos, madera, y dems, por plstico. Lo cual abri grandes oportunidades en el mercado para productos manufacturados por inyeccin, extrusin, termoformado y rotomoldeo, entre otros. Pero crecimiento de los recursos que ayudaron a producir estos grandes volmenes de produccin no se efectuaron paralelamente en los pases industrializados y en los en vas de desarrollo. En estos ltimos se continu con una produccin mayoritariamente de piezas simples y con una importacin de tecnologas de produccin de los pases industrializados, causando un gran rezago tecnolgico, aunado a la influencia de los siguientes factores que condicionan el campo de la industria del plstico [3]:

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1. 2. 3. 4.

El precio del petrleo. Materia prima para elaboracin de productos plsticos. Influencia de la materia prima reciclada. Avance tecnolgico en el rea de produccin.

Mxico como pas en vias de desarrollo se encuentra con un rezago tecnolgico fuerte para los procesos de inyeccin, extrusin, termoformado y rotomoldeo estos son en su mayora son simplemente insuficientes. A pesar de ser un pas productor de petrleo (el quinto mayor productor de crudo en el mundo) y contar con otros grandes factores a su favor para desarrollarse como industrializador de material plstico [10]. 2.5.1 Situacin econmica en la fabricacin de moldes en Mxico. Durante la dcada de los noventa, la industria plstica en Amrica Latina mostr un crecimiento slido. Hoy, en conjunto, es un importante mercado mundial. Amrica Latina importa US $1.200 millones en maquinaria para procesamiento del plstico y US $8.000 millones en resinas y pelculas. Mxico, Brasil y Argentina son los mercados domsticos que dan cuenta de las ms grandes porciones de estos totales [11]. En Mxico, la manufactura de moldes para inyeccin de plstico report en el ao 2002 importaciones superiores a los 628 millones USD, mientras que las exportaciones fueron tan solo de 140 millones USD. Adems se estima que en Mxico existen alrededor de 87,000 moldes que requieren rediseo mantenimiento. An cuando la inversin en mantenimiento ha crecido en un 20% anual desde 1996 al 2000, aunado a la incorporacin de nuevos fabricantes y la consolidacin de los ya existentes, este sector sigue presentando importantes reas de oportunidad [11]. 2.5.2 Situacin tecnolgica en la fabricacin de moldes en Mxico. La realidad de las empresas Mexicanas que producen moldes de inyeccin es que poseen medios incompletos de produccin, el personal que acta en estas labores no posee ni la capacidad ni la competencia requerida, consecuentemente, el desarrollo de productos y su posterior produccin mediante el uso de moldes y matrices son poco eficientes y poco competitivas. Por estos motivos, gran parte de los clientes que procesan plstico por medio de moldes obtienen sus matrices y moldes en pases de mayor desarrollo tecnolgico. Por lo anterior es notorio que la situacin de la industria nacional del plstico revela la urgente necesidad del desarrollo de capacidades tecnolgicas propias para los fabricantes de moldes, maquiladores, transformadores para el mercado interno y usuarios integrados, que les permita competir con ventaja en un mundo globalizado. La formacin de profesionales especializados en el diseo, fabricacin y mantenimiento de moldes para inyeccin de plsticos, es una necesidad para el desarrollo de tecnologas en Mxico y para la generacin de diseos propios [11] Las necesidades de un mercado globalizado obligan a que el sector de la fabricacin de moldes se encuentre en un continuo proceso de incremento de la productividad, de reduccin de costos y de elevacin del nivel tecnolgico en el diseo y construccin, as como el implemento de procesos ms eficientes, el desarrollo novedoso de moldes a un costo justo a la vez de

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incrementar la eficacia del trabajo conjunto que realizan todas las empresas y/o departamentos que intervienen simultneamente en el diseo y la produccin de un producto plstico. En las relaciones normales entre estas empresas en las que los tiempos de respuesta y los costes deben ser reducidos, el correcto intercambio de informacin entre ellas y en el interior de las mismas es un aspecto crucial para un mejor crecimiento.

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Captulo IIILa ingeniera concurrente en el diseo de piezas de plstico.

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Con el objetivo de contar con una metodologa que considere las necesidades ms importantes presentes en la fabricacin de piezas de plstico por el mtodo de inyeccin de plstico en un ambiente globalizado, se adopta la llamada ingeniera concurrente (CE por sus siglas en ingls), [12] para poder as contar con un enfoque sistemtico para el diseo paralelo e integrado de moldes de inyeccin de plsticos donde se involucren los procesos relacionados, incluyendo la manufactura y servicios de apoyo, todo con el objetivo de que los desarrolladores consideren, desde el inicio del proyecto todos los elementos del ciclo de vida del molde, desde su concepcin hasta su eliminacin y reciclaje, incluyendo calidad, costo, planeacin y requerimientos del usuario. Se ha demostrado que cuando se aplica exitosamente la ingeniera concurrente, los productos que se desarrollan con est filosofa se fabrican de forma eficiente, entran al mercado rpidamente y son de calidad satisfactoria para los clientes. Los elementos bsicos para lograr la aplicacin de la ingeniera concurrente en el diseo de moldes son [13]: Una arquitectura computacional distribuida que permita la sincronizacin, programacin ptima de tareas y el manejo adecuado de flujos de informacin. la

Un conjunto de herramientas computacionales que permiten desarrollar prototipos a bajo costo, de forma ptima e inteligente til para la toma decisiones, responsabilidades y cierta libertad para manejar recursos propios a cada parte involucrada en el proceso de diseo. Adems puede suceder que fsicamente el personal se encuentre localizado en diferentes ciudades o pases. Producto definido en trminos del cliente, retraducidos a trminos de ingeniera con considerable detalle. Una representacin unificada de toda la informacin de diseo y manufactura, de forma que pueda visualizarse interpretarse desde diversas perspectivas.

Otro concepto que distingue a la ingeniera concurrente del enfoque tradicional es la necesidad de cambio de cultura organizacional, los equipos de trabajo multidisciplinarios y el nfasis en el manejo de rutas de informacin ms que de jerarquas organizacionales. 3.1 Concepto de ingeniera concurrente. En general la aplicacin de la ingeniera concurrente en el diseo, requiere conceptualizar un enfoque no lineal en el desarrollo del diseo por parte del personal de una empresa, lo que trae como consecuencia la integracin de los elementos de entrada, de proceso y de salida necesarias para elaborar un producto. Las personas y los procesos se conjuntan desde el inicio del diseo (algo que normalmente no se hace en el enfoque lineal). El equipo est formado por ingenieros de diseo, de produccin, tcnicos, personal de mercadotecnia, finanzas, planificadores y gerentes, todos ellos trabajan de manera conjunta para resolver un problema y generar un producto. En la actualidad existe un amplio consenso en afirmar que la ingeniera concurrente (paralela o simultnea) es la forma ms eficiente de hacer ingeniera en un entorno cada vez ms competitivo [14].

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Este enfoque exige que se gaste ms tiempo en la definicin del producto que de una manera habitual; tambin la planificacin es mucho ms profunda, de tal manera las modificaciones se realizan en las primeras fases de diseo, mucho antes de que se realicen los primeros prototipos, donde la realizacin de cambios resulta rentable, figura 3.1 [15].

Figura 3.1 Etapas de realizacin de cambios.

La idea bsica sobre la que se sustenta la ingeniera concurrente responde en cierto modo al sentido comn, y consiste en iniciar todas las actividades del proyecto cuanto antes, haciendo participar desde el principio a todos los departamentos implicados, as como a los proveedores. Sin embargo ello con lleva en la prctica a una serie de nuevos problemas organizativos que, si no son debidamente resueltos, pueden disminuir substancialmente su efectividad. Por ejemplo el enfoque concurrente obliga a avanzar a la toma de decisiones en etapas cada vez ms tempranas dentro del proceso de diseo y desarrollo, por tanto es importante decidir a partir de informacin ms incompleta e inmadura, y al mismo tiempo asegurar el xito al primer intento. Por otra parte el flujo de informacin es tambin ms complejo y exige una gran agilidad, especialmente cuando dicho flujo se produce entre distintas empresas que colaboran en el desarrollo de un mismo proyecto. 3.2 Objetivos de la ingeniera concurrente. El objetivo bsico de la ingeniera concurrente es la disminucin del tiempo total transcurrido desde la deteccin de una necesidad hasta la comercializacin de un producto. La importancia en la aceleracin de este proceso radica, en la ventaja competitiva que supone se va alcanzar en el mercado antes que los competidores. Este objetivo principal viene acompaado de otros parciales, como son [12]: La reduccin de los costos totales. El aumento de la calidad y fiabilidad global del producto. El incremento del valor aadido.

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El ltimo aspecto implica un cambio de enfoque radical por parte de los tcnicos, que deben anteponer a su criterio la visin del producto por parte del cliente. Ello conlleva a elaborar un conjunto de requerimientos y condicionantes mucho ms completos, y en definitiva un mejor conocimiento del problema desde las etapas iniciales. 3.3 Mecanismos de la ingeniera concurrente. La ingeniera concurrente se sustenta sobre tres pilares, o mecanismos, bsicos que le confieren sus especiales caractersticas. Es importante sealar que cada uno de estos tres mecanismos [15] debe estar presente e integrado de forma adecuada con los otros dos para asegurar el xito. 1. Paralelismo. 2. Integracin. 3. Acierto. 3.4 Las comunicaciones en un entorno de ingeniera concurrente. Uno de los factores clave para el xito en la implantacin de la ingeniera concurrente es la comunicacin y coordinacin entre las personas, que forman los equipos multidisciplinarios de proyecto, tanto a nivel interno como externo, y especialmente con los proveedores. El tamao de un equipo de trabajo es otro factor clave para su eficacia. Es mejor subdividir el grupo en grupos menores de 2 a 3 miembros. Esto obliga a una importante segmentacin de tareas durante la planificacin del proyecto [13]. La base para la ingeniera concurrente es la comunicacin, una medida importante en este aspecto consiste en disponer de un sistema informtico para el manejo de la informacin que sea compartido, no solo por todos los departamentos de la empresa, sino tambin por los proveedores. En este caso es importante concretar cual es la informacin esencial que es preciso controlar [16]. 3.6 Ingeniera concurrente y los sistemas CAD/CAM/CAE. Tomando en cuenta que en un sistema de produccin tradicional el proceso de productivo ejecuta los resultados finales del proceso de diseo para producir un sistema o producto, donde resalta la separacin del proceso creativo con el proceso de produccin lo cual trae como consecuencia un mayor tiempo de obtencin de un producto o sistema. En la actualidad con la utilizacin de la ingeniera concurrente y con el advenimiento del diseo por computadora, est separacin ya no es necesaria y dentro de un enfoque moderno de diseo es inevitable reunir estos dos procesos. El proceso de diseo de ingeniera concurrente tiene un enfoque moderno y est conformado por tres bases de aplicacin que se traslapan entre s [14],[16]: Ideacin. Refinamiento. Implantacin.

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Los integrantes de los equipos multidisciplinarios llevan a cabo estas tres bases de aplicacin con el fin de desarrollar su trabajo de una manera moderna. Por tal motivo comparten la misma base de datos CAD en 3D para que cualquier integrante del equipo pueda tener acceso al diseo en curso a travs de una terminal de computadora. El compartir datos es muy importante en el xito del proceso de diseo. A travs de este proceso de compartir informacin, hace posible que todas las reas de una empresa trabajen de manera simultnea en las necesidades particulares de un diseo a medida que se desarrolla el producto. Por ejemplo, los ingenieros de diseo pueden crear un modelo preliminar en 3D al inicio de la fase de ideacin. Un ingeniero mecnico puede utilizar el mismo modelo 3D para analizar sus propiedades trmicas. La informacin obtenida con este anlisis preliminar puede proporcionarse a los ingenieros de diseo, quienes harn los cambios necesarios al inicio de la fase de ideacin, logrando minimizar los costosos cambios en el proceso de diseo. Para disear est arquitectura ser necesario saber en lneas generales las exigencias que tendr el sistema. Lo primero a tener en cuenta es que el diseo de moldes es una tarea altamente especializada realizada por moldistas expertos que implica una terminologa y metodologa de trabajo muy especfica. Es por esto que estos expertos sern tanto aportadores como usuarios finales de la aplicacin, siendo esto un factor clave para desarrollar el sistema, determinando la estrategia de resolucin y aportando todo su conocimiento que habr de ser absorbido por el sistema. 3.6 Aplicacin de la ingeniera concurrente en el diseo de moldes. El diseo de un molde de inyeccin de plstico, comienza como consecuencia de la identificacin de la necesidad de producir cierta pieza de plstico. La aplicacin del concepto de ingeniera concurrente en el diseo de un molde, comienza con la integracin de todas las actividades que se realizan en el desarrollo del diseo, as como de los recursos y aplicaciones utilizadas en el mismo, asegurando que se realiza un mejor producto. Todo lo anterior, es posible logrando una integracin de la informacin, para poder ser intercambiada y compartida entre las distintas reas involucradas en el desarrollo del molde, siendo esto viable gracias a los avances tecnolgicos presentes en redes y equipos de cmputo indispensables en la ingeniera concurrente [17]. El intercambio correcto de la informacin dentro del ciclo productivo, origina que el personal involucrado en el diseo del molde de inyeccin, este informado de cualquier cambio pequeo que se realice durante la fase de concepto del producto de plstico pudindose incorporar inmediatamente a la fase de diseo, logrando con ello realizar la mayor cantidad de cambios en el diseo, cuando este est todava en una fase temprana, evitando las molestas y repetidas vueltas hacia atrs como sucede en la ingeniera lineal. Para llevar a cabo una integracin real de la informacin, se debe detectar primero los diferentes sectores que se ven involucrados en el diseo y fabricacin de un producto plstico nuevo que trae como consecuencia el diseo. La gama de empresas que integran la cadena productiva, para la obtencin de una pieza de plstico [16], desde la deteccin de la necesidad hasta la obtencin del producto se ve representada en la figura 3.2.

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Figura 3.2 Cadena productiva.

Para cada empresa existen diferentes funciones y responsabilidades, dentro de cada una de las etapas del proceso de diseo y produccin de piezas de plstico, las relaciones normales entre estas empresas por consecuencia de la ingeniera concurrente se ve mejorada, ya que los tiempos de respuesta y los costos deben son reducidos, esto involucra el correcto intercambio de informacin entre ellas y en el interior de las mismas. Los objetivos de las empresas dentro de la cadena productiva [18] son los siguientes: La empresa cliente: Tiene como objetivo principal: la definicin producto, geometra, material, anlisis estructural. La industria de la transformacin: Tiene como objetivo principal: el diseo CAD de la pieza , subcontrata diseo y fabricacin del molde, probar el molde, la seleccin de los parmetros de procesado del material, fabrica la pieza. El proveedor del material plstico: Tiene como objetivo principal: la definicin y seleccin del material ms adecuado de acuerdo a las caractersticas de la pieza, anlisis reolgico, suministro de material. El moldista: Diseo y fabricacin del molde y el anlisis reolgico. La ingeniera externa: Apoya al diseo de la pieza y el molde. Siendo indispensable para las empresas fabricantes de moldes, ingeniera externa y de la transformacin tomar en cuenta la voz del cliente, con el objetivo de cuidar cumplir con las expectativas de la empresa cliente. A continuacin se presenta el intercambio de informacin consecuencia de la interaccin de las empresas que intervienen en el proceso de desarrollo de una pieza de plstico [17]. Figura 3.3

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Figura 3.3 Informacin fundamental general.

En base al diagrama de informacin anterior y aplicando la ingeniera concurrente se desarrollan los sudmodelos de informacin para la fabricacin de moldes de inyeccin de plsticos [18]. 1.- Modelo funcional general: Representa las funciones o actividades principales que tienen lugar en el diseo y fabricacin de piezas de plstico inyectado, as como el flujo de informacin entre ellas desde un punto de vista general. Este modelo es presentado en la figura 3.4. 2.- Sub modelos funcionales: 2.1) Sub modelo funcional para el cliente (fabricante del producto donde se insertar la pieza de plstico). 2.2) Sub modelo funcional para el transformador (empresa encargada de inyectar). 2.3) Sub modelo funcional para el moldista (empresa encargada de realizar el molde) modelo es presentado en la figura 3.5. Este

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Figura 3.4 Informacin general.

Figura 3.5 Actividad disear el molde.

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3.- Modelo de informacin de ingeniera concurrente: A partir de los submodelos funcionales anteriores, se identifican las actividades que pueden realizarse de forma simultnea, cules se pueden adelantar en el proceso productivo, qu unidades de informacin son necesarias, cul es la interaccin entre los diversos agentes para lograr esto y dems. Para las empresas encuadradas en el sector de la fabricacin de piezas de plstico est informacin est relacionada con cuatro reas fundamentales [17]: 1. 2. 3. 4. Diseo de producto. Materiales. Diseo y fabricacin de moldes. Fabricacin e inspeccin de piezas.

Hay que destacar el flujo de informacin que existe entre la actividad de disear la pieza y disear el molde. La interaccin que se tiene entre estas cuatro reas fundamentales, involucra la aplicacin de mtodos basados en la ingeniera concurrente, que se basan en cinco acciones fundamentales [17]: 1. Trabajo en equipos multidisciplinarios con participacin de proveedores. 2. Especificacin de detalle del producto, desde el punto de vista de ingeniera, a partir de los trminos definidos por el cliente. 3. Especificacin de los parmetros que permiten asegurar la optimizacin de la calidad del producto. 4. Optimizacin del diseo del producto, teniendo presente todos los aspectos que afectan a su ciclo de vida: funcionalidad, fabricacin, montaje, mantenimiento, servicio, reciclaje, retirada, etc. 5. Desarrollo simultneo del producto, equipo de fabricacin, procesos, control de calidad y marketing. Se puede observar, como en el entorno de ingeniera concurrente, los diversos agentes que aparecen a lo largo del ciclo de vida del producto, interaccionan entre s de forma continua, ya sea intercambiando informacin o trabajando en equipos multidisciplinarios. Esto permite tener en consideracin, de forma simultnea, los diferentes puntos de vista que tienen dichos agentes sobre el producto y, por lo tanto, adelantar informacin correspondiente a etapas posteriores del ciclo de vida para prever posibles consecuencias de las decisiones tomadas en etapas anteriores. 3.7 El intercambio de informacin durante la etapa de diseo. Durante la etapa de diseo de un molde, el intercambio de informacin dentro de la empresa encargada de desarrollar el molde sigue el esquema desarrollado en la cadena productiva.

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En la figura 3.4 se observa que para llevar la tarea de disear el molde, comienza con la siguiente informacin: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Peticin de oferta de diseo y fabricacin de molde. Peticin de diseo y fabricacin de molde. Requerimientos del cliente. Informacin de pieza. Requerimientos del transformador. Informacin de transformacin.

La informacin es proveniente de las empresas que estn involucradas en el proceso productivo, y est ordenada de la siguiente manera: La empresa cliente: Proporciona los requerimientos del cliente, realiza la peticin de diseo y fabricacin de molde, as como la peticin de oferta de diseo y fabricacin de molde. La industria de la transformacin: Proporciona los requerimientos del transformador y la informacin de la transformacin. La ingeniera externa: Proporciona la informacin de la pieza. Dentro de la ingeniera concurrente es importante saber a que se refiere cada uno de los datos de informacin, para conformar una base de datos en base a la diversidad de informacin que fluye.

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Captulo IVAplicacin de la ingeniera concurrente en el proceso de diseo de un molde de inyeccin de plstico.

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4.1 Informacin de la pieza. Para el diseo de un molde es indispensable conocer las caractersticas de las pieza que se piensa procesar, las ms importantes son: 1. 2. 3. 4. Geometra. Material. Peso. Volumen.

La geometra de una pieza de plstico se proporciona generalmente a travs de un plano. El uso de la tecnologa CAD para el diseo de la pieza en el entorno de la ingeniera concurrente, es indispensable. El diseo lo lleva a cabo generalmente la empresa cliente o el servicio de ingeniera externa, en el archivo CAD es necesario que aparezcan las caractersticas a detalle de la pieza a inyectar, tomando en cuenta las recomendaciones de diseo para el proceso de moldeo por inyeccin. En la seleccin del material de fabricacin de la pieza plstica se deben considerar algunos factores que involucran: la funcionalidad, la calidad, la economa de la pieza, pero principalmente se debe considerar si se debe cumplir alguna norma por cuestiones de uso del producto, si esto es as, se debe emplear el material que indique la norma. Conociendo el material de la pieza a fabricar y la geometra, se puede determinar el volumen y el peso de la pieza a inyectar. 4.2 Requerimientos del transformador. El transformador, tiene algunos requerimientos que debe proporcionar al diseador del molde, la informacin bsica que debe entregar es en torno al modelo de la mquina que llevar a cabo la tarea de inyeccin de la pieza, las caractersticas principales de una mquina de inyeccin estn dadas por la unidad de inyeccin y por la unidad de cierre. En el caso de la unidad de cierre las principales caractersticas son [8]: 1. 2. 3. 4. Fuerza de cierre. Altura mxima del molde. Carrera de apertura. Espacio entre barras.

En el caso de la unidad de inyeccin las principales caractersticas son 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Dimetro del husillo. Volumen a inyectar. Presin de inyeccin. Relacin L/D. Velocidad mxima del husillo. Velocidad de inyeccin. Capacidad de plastificacin.

Estas caractersticas, son esenciales para comenzar el diseo de un molde de inyeccin.

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4.2.1 Informacin de transformacin. La informacin de la transformacin est comprendida principalmente por, el nmero deseado de piezas a producir en un ciclo de operacin por la mquina de inyeccin, este estudio debe estar basado en un estudio econmico previo a la fabricacin del molde. 4.3 Diseo del molde. Est actividad est dentro del ciclo productivo de una pieza de plstico, implica el diseo, fabricacin y evaluacin del molde que se va a emplear en la fabricacin de la pieza. Como entrada a est actividad (figura 3.4), resaltan la peticin de oferta de diseo y fabricacin del molde as como, la peticin de diseo y fabricacin del molde. Hay que establecer est distincin ya que el fabricante del producto el transformador de la pieza de plstico, puede encargar el estudio del molde (con la correspondiente oferta) a un moldista en particular y subcontratar posteriormente el diseo y fabricacin a otro moldista diferente. Desde el punto de vista de la informacin bsica para disear un molde hace falta fundamentalmente la geometra y las caractersticas de la pieza a obtener bajo las condiciones de transformacin de la misma. En la actividad de disear el molde se incluye el diseo completo del molde teniendo en cuenta la descripcin de la pieza (material a fabricar, geometra, peso y volumen). Est actividad se divide a su vez en tres actividades principales [17]: 1. Estudio previo del molde. 2. Anteproyecto del molde. 3. Proyecto del molde. Estas tres actividades deben estar en constante comunicacin con la actividad de fabricar el molde, est informacin contiene las caractersticas suficientes que permitan fabricar el molde y son generadas a partir de la informacin recibida. 4.3.1 Estudio previo del molde Est informacin contiene [16]: 1. La verificacin de la geometra de la pieza. 2. La realizacin del estudio de viabilidad de fabricacin del molde. 3. La generacin de una oferta para su diseo y construccin. Se analiza la posible configuracin del molde, pero desde un punto de vista conceptual, sin entrar en detalle. El objetivo es iniciar est actividad una vez que la definicin de la pieza sea suficiente, para lo cual se define un estatus de nivel de definicin geomtrica de forma que automticamente se lanza dicha informacin hasta alcanzar el estado de diseo Previo. Esto permite por tanto iniciar de forma paralela el diseo del molde, obtenindose su configuracin general y estimando el coste de fabricacin y el plazo de entrega.

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4.3.1.1 Verificacin de la geometra de la pieza. La verificacin de la geometra de la pieza tiene como objetivo evaluar la posibilidad de desmoldeo de la pieza, en base a sus caractersticas geomtricas, el rea de proyeccin, la complejidad de fabricacin del molde. Existen diferentes recomendaciones para verificar si la geometra de una pieza diseada es correcta, las cuales son: Uso de radios y redondeos, para evitar concentracin de esfuerzos. Espesor de la pieza uniforme, para evitar concentracin de esfuerzos y contracciones indeseadas. Mantener las distancias adecuadas si cuenta con orificios.

Algunas valores de estas caractersticas se representan en la tabla 4.1 y figura 4.1.Tabla 4.1

Figura 4.1 Concentracin de esfuerzos.

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En el estudio de las lneas de particin y de los negativos, es importante encontrar el sentido y el ngulo de desmolde que contenga el menor nmero de negativos y que estos sean lo ms fcil posible de desmoldar de una manera mecnica. As se puede determinar que superficies quedarn en el lado de expulsin y cuales quedarn en el lado de inyeccin para evitar marcas no deseadas en algunas superficies, por lo regular el lado de la cavidad queda del lado de la platina fija de la mquina. 4.3.1.2 Realizacin del estudio de viabilidad de fabricacin del molde. El estudio de viabilidad del molde consiste en tomar en consideracin las caractersticas de la pieza para una posible configuracin del molde ya sea simple o mltiple. 4.3.1.3 Generacin de una oferta para su diseo y construccin. El precio de una pieza de plstico obtenida por el proceso de inyeccin de plstico, depende en primer lugar, del nmero de piezas fabricadas y de la produccin por hora. As, el precio resulta directamente proporcional al nmero de cavidades y al coste del molde para una mquina determinada. La figura 4.2 relaciona el costo de fabricacin de un molde con un numero determinado de cavidades, contra con el costo de produccin de las piezas obtenidas [9], (los valores fueron determinados empricamente).

Figura 4.2 Curvas de costos para cavidades.

La variacin en la economa de produccin de piezas de plstico es determinada de la siguiente manera: Cuando el molde tiene pocas cavidades de inyeccin, los costos de fabricacin del molde son bajos, pero como consecuencia se tienen unos costos de produccin altos (izquierda de la figura), sucede lo contrario, con un molde de cavidades numeroso (derecha de la figura).

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La decisin sobre el nmero de cavidades adecuado (econmicamente) se sustenta directamente en los volmenes de produccin y la toma de decisiones de fabricar un molde con un determinado nmero de piezas 4.3.2 Anteproyecto del molde. Est informacin contiene [16]: 1. 2. 3. 4. Configuracin que va a tener el molde. Tipo de molde. Nmero de cavidades. Sistema de alimentacin. Posicin de la lnea de particin. Tipo de sistema de inyeccin. 5. Extraccin. 6. Refrigeracin o enfriamiento. Como es de suponer las acciones que se realizan son muy variadas y complejas durante la ejecucin y posterior a esta etapa, s en listan realmente la cantidad de factores que intervienen en ella. 1. Anlisis de la geometra de la pieza. Para realizar un proyecto de un molde se ha de empezar estudiando su modelo y las lneas que lo definen. 2. Estudio de las lneas de particin y de los negativos. Ser importante encontrar el sentido y el ngulo de desmolde que contenga el menor nmero de negativos y que estos sean lo ms fcil posible de desmoldar de una manera mecnica. 3. Determinar que superficies quedarn en el lado de expulsin y cuales quedarn en el lado de inyeccin para evitar marcas no deseadas en algunas superficies. 4. Determinar los mecanismos de expulsin. Calcular el ancho y la profundidad mxima que tienen los negativos y poder as determinar las dimensiones de los mecanismos mviles que contendr el molde para extraerlos. 5. Definir el sistema de inyeccin. Es uno de los puntos ms importantes debido a que puede determinar el tipo de molde estndar a escoger. 6. Definir el sistema de expulsin que influye principalmente en el hecho de alojar la pieza en el lado de expulsin del molde para poder ser extrada mediante expulsores. 7. Determinar el nmero de cavidades del molde (nmero de piezas que ha de realizar el molde en cada inyectada), que es muy importante para determinar la produccin estimada. 8. Definir el circuito de refrigeracin. Que en la mayora de casos consiste en la incorporacin de un circuito de taladros en los postizos de la figura, en las correderas y en aquellas placas que necesitan evacuacin de calor.

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Todas estas acciones implican una intensa colaboracin entre todos los elementos del sistema. Durante esta etapa no se llegan a determinar completamente las dimensiones geomtricas, tolerancias y materiales del molde, todos ellos se realizarn posteriormente en la actividad de proyecto de molde. El anteproyecto depende directamente de las caractersticas geomtricas y tecnolgicas de la pieza, de la cuales se determinan las siguientes caractersticas: Si el tipo de canal es fro o caliente; el tipo de entrada (anillo, punto o laminar); si el molde ser de dos placas, de mordazas, de extraccin por segmentos o de tres placas, la lnea de particin del molde y las caractersticas de los insertos a emplear en la cavidad (material, nmero, geometra aproximada, etc.). Se determinarn tambin las caractersticas generales del sistema de inyeccin: del bebedero, de los canales de alimentacin y distribucin, de las entradas y de los respiraderos; as como del resto de los sistemas que conforman el molde. Adems, en funcin de criterios econmicos se determinarn las siguientes caractersticas relativas a las cavidades: nmero de cavidades a usar, segn la oferta emitida en la actividad (estudio previo del molde), 4.3.2.2 Seleccin del tipo de molde.

La complejidad en la seleccin del diseo de un molde depende directamente del anlisis de la geometra de la pieza, del nmero de cavidades, del sistema de expulsin de la pieza, del circuito de refrigeracin, del sistema de inyeccin, del estudio de las lneas de particin. En la tabla 4.2 y 4.3, se pueden observar las diferentes versiones de diseo de un molde, se muestra la designacin de los moldes de acuerdo a sus funciones y de acuerdo al sistema de expulsin. Es tarea del diseador, elegir el tipo de molde que mejor cumpla con los requerimientos que la pieza a moldear requiere.Tabla. 4.2 Tipos de moldes.

Tabla 4.3 Tipos de moldes de acuerdo a su configuracin.

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4.3.2.2

Determinacin de la cantidad de cavidades del molde.

La determinacin de la cantidad de cavidades del molde depende directamente de las caractersticas siguientes: el material y la geometra, as como del modelo de la mquina a utilizar, con ello se puede realizar una primera aproximacin del nmero de cavidades que se puede disponer en un molde. Para iniciar el clculo de una primera aproximacin de la cantidad terica de cavidades del molde, se relaciona el volumen mximo que puede inyectar la mquina y volumen del artculo a producir, con lo anterior se tiene [19]:F1 Sv Av (4.1)

Donde: Volumen mximo de inyeccin de la mquina = Sv (cm3) Volumen de la pieza + Mazarota = Av (cm3) Donde F 1 representa la cantidad mxima de cavidades que el molde puede contener. En una segunda aproximacin se relaciona la capacidad de plastificacin del cilindro inyector con el nmero de inyecciones y el volumen del artculo:

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Segn ello, la cantidad mxima terica de cavidades ser:F2 L ( Z ) ( Vc) (4.2)

Donde: Capacidad de plastificacin = L (cm3/min.) Nmero de inyecciones por minuto = Z (z/min.) Volumen de la pieza + mazarota = A c (cm3) Cuando se utiliza F 1 para dimensionar las cavidades de un molde, se consume cada vez el volumen total de inyeccin de la mquina, as que F 2 solo puede ser igual o menor a F 1 . F2 F1 Donde F 1 siempre es el valor terico mximo, ya que se supone que s esta inyectando el 100% del volumen del plstico. Lo anterior no puede utilizarse en la prctica ya que no satisface ninguna exigencia de calidad. Las mquinas de inyeccin de construccin moderna, en la practica tienen un grado de aprovechamiento de 0.2 a 0.8 de ello se deduce, para F 2 , F 2 0.8 F 1 Sin embargo no conviene llegar a un valor inferior a F 1 =0.4 F 2 , ya que de otro modo los tiempos de permanencia se hacen muy largos y se puede contar con inexactitudes de dosificacin. Adems para la determinacin de F 1 y F 2 resulta conveniente en lugar de considerar el volumen de la mazarota, se deba considerar el volumen total del sistema de plastificacin. 4.3.2.2.1 rea proyectada y fuerza de cierre. Las cantidades arrojadas en el inciso anterior, son cantidades que no demuestran fsicamente nada, es decir son estimaciones que consideran las caractersticas operativas de la mquina sin considerar las dimensiones de la placa que alojara las cavidades. Para poder estimar fsicamente la cantidad de cavidades, originalmente se tiene que contar con la distancia entre columnas de la platina fija de la mquina, que es dnde ser montado el molde, con lo anterior se tiene que estimar, si el nmero de cavidad