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Resumen

El objeto del presente proyecto es incrementar la productividad de un molde de inyeccin para tapones de polipropileno mediante la optimizacin del sistema de refrigeracin del mismo. De esta forma, se pretende reducir el tiempo de enfriamiento de la pieza inyectada y en consecuencia, el tiempo del ciclo de inyeccin.

El molde de inyeccin acta como un intercambiador de calor entre la pieza y el refrigerante; as pues, el diseo del sistema de refrigeracin se ha basado en el balance trmico del sistema pieza-molde-refrigerante.

Los diseos planteados se han ajustado y validado mediante anlisis por elementos finitos (MEF) utilizando el programa de simulacin reolgica Modlflow, que permite estudiar el comportamiento del material plstico durante el proceso de inyeccin. As mismo, se han podido validar los resultados de la simulacin teniendo en cuenta los parmetros reales de inyeccin medidos experimentalmente.

Inicialmente se proponen dos estrategias distintas para optimizar la refrigeracin: la primera consiste en optimizar el circuito de refrigeracin para la zona del molde ms afectada trmicamente, y la segunda se basa en utilizar un material de fabricacin del molde con una conductividad trmica ms elevada a la del acero convencional.

La mejor opcin ser aquella con la que se consiga alcanzar la temperatura de molde adecuada de forma rpida y uniforme, con un consumo energtico mnimo, es decir, mnimas prdidas de carga a lo largo del circuito.

Tras analizar comparativamente los distintos modelos propuestos, se recomendara el uso de insertos de cobre para la fabricacin de los punzones del molde; consiguindose una reduccin del tiempo de ciclo del 46.5% y por tanto, un incremento de la productividad de esta magnitud.

No obstante, debe tenerse en cuenta que las aleaciones base cobre presentan peores propiedades mecnicas que el acero, por lo que cabe esperar una menor vida til de este componente del molde. Por otra parte, a pesar de que el coste del cobre es mayor, la reduccin estimada del coste total por pieza es del orden del 6%, suponiendo un ahorro anual para la produccin requerida de ms de 6000 euros.

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Sumario RESUMEN ___________________________________________________1

SUMARIO ____________________________________________________3

SUMARIO ANEXOS ____________________________________________5

1. INTRODUCCIN __________________________________________7 1.1. Objetivos del proyecto...................................................................................... 7 1.2. Alcance del proyecto........................................................................................ 7

2. DESCRIPCIN DEL SISTEMA ACTUAL _______________________9 2.1. Generalidades.................................................................................................. 9

2.1.1. El proceso de inyeccin.........................................................................................9 2.1.2. El molde de inyeccin..........................................................................................10

2.2. Anlisis de la pieza a inyectar........................................................................ 12 2.3. Descripcin del molde existente .................................................................... 14

2.3.1. Sistema de inyeccin...........................................................................................14 2.3.2. Sistema de refrigeracin......................................................................................16

2.4. Parmetros actuales de proceso ................................................................... 18 2.5. Comprobacin experimental de la temperatura de molde ............................ 20

3. ANLISIS REOLGICO DEL SISTEMA ACTUAL _______________23 3.1. Introduccin.................................................................................................... 23 3.2. Metodologa.................................................................................................... 25

3.2.1. Modelado y mallado ............................................................................................25 3.2.2. Material ................................................................................................................27 3.2.3. Condiciones de contorno.....................................................................................29

3.3. Anlisis de llenado y anlisis de compactacin............................................. 30 3.3.1. Objetivo y utilidad del anlisis .............................................................................30 3.3.2. Condiciones de contorno.....................................................................................30 3.3.3. Anlisis de resultados..........................................................................................31 3.3.4. Conclusiones .......................................................................................................36

3.4. Anlisis de refrigeraciones ............................................................................. 37 3.4.1. Objetivo y utilidad del anlisis .............................................................................37 3.4.2. Condiciones de contorno.....................................................................................37 3.4.3. Anlisis de resultados..........................................................................................37 3.4.4. Conclusiones .......................................................................................................44

3.5. Anlisis de deformaciones ............................................................................. 45

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3.5.1. Objetivo y utilidad del anlisis ............................................................................. 45 3.5.2. Anlisis de resultados ......................................................................................... 45 3.5.3. Conclusiones....................................................................................................... 48

4. DISEO OPTIMIZADO DEL SISTEMA DE REFRIGERACIN______49 4.1. Generalidades................................................................................................ 49 4.2. Objetivos ........................................................................................................ 51 4.3. Estrategias de optimizacin del sistema de refrigeracin ............................. 51

4.3.1. Estrategia 1: diseo optimizado del circuito de refrigeracin............................. 53 4.3.2. Estrategia 2: uso de insertos de cobre ............................................................... 55

4.4. Clculos de diseo de la refrigeracin mediante balance trmico del sistema........................................................................................................................ 56

4.4.1. Estimacin del tiempo de enfriamiento............................................................... 57 4.4.2. Balance trmico en el molde............................................................................... 60 4.4.3. Clculo del caudal de refrigerante ...................................................................... 64 4.4.4. Clculo del dimetro del canal de refrigeracin ................................................. 65 4.4.5. Posicionamiento del circuito de refrigeracin..................................................... 67

4.5. Clculos de diseo de la refrigeracin mediante simulacin por elementos finitos .............................................................................................................. 71

4.5.1. Estrategia 1: Diseos .......................................................................................... 71 4.5.2. Estrategia 2: Seleccin del material adecuado .................................................. 75 4.5.3. Anlisis comparativo de los diferentes diseos y estrategias............................ 76 4.5.4. Conclusiones....................................................................................................... 84

5. TECNOLOGAS DE FABRICACIN APLICADAS _______________85 5.1. Fabricacin de los modelos propuestos ........................................................ 85

6. ANLISIS DE COSTOS Y MEJORAS DE LA PRODUCTIVIDAD____87 6.1. Mejora de la productividad del molde............................................................ 87

6.1.1. Determinacin del tiempo de ciclo...................................................................... 87 6.1.2. Productividad....................................................................................................... 91

6.2. Anlisis de coste por pieza ............................................................................ 92 6.3. Anlisis reolgico del sistema propuesto. Comprobacin de resultados...... 94

CONCLUSIONES _____________________________________________95

AGRADECIMIENTOS__________________________________________97

BIBLIOGRAFA_______________________________________________99 Referencias bibliogrficas ....................................................................................... 99 Bibliografa complementaria.................................................................................. 100

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Sumario Anexos

A. PLANOS 1

B. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE MOLDE EN LA CALIDAD DE LA

PIEZA INYECTADA 7

C. CONTROL DE CALIDAD DEL TAPN LA LECHERA 11

D. RESULTADOS GRFICOS DE SIMULACIN 15

E. TECNOLOGAS DE FABRICACIN APLICADAS 37

F. ANLISIS DE COSTES POR PIEZA 41

G. PRESUPUESTO 45

H. ANLISIS REOLGICO DEL SISTEMA PROPUESTO. COMPROBACIN DE

RESULTADOS 47

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1. Introduccin

1.1. Objetivos del proyecto

El presente proyecto surge del inters de la empresa SOFIPLAST de incrementar la productividad de uno de sus moldes de inyeccin de tapones de PP para la industria alimenticia, concretamente el del envase Sirvefcil de leche condensada La Lechera.

Desde el lanzamiento del nuevo envase (en julio del 2001) hasta finales del 2003, las ventas de este producto se incrementaron en un 15% en toneladas y en un 37% en cifra de negocios (millones de ). As pues, desde el punto de vista de la produccin se increment tambin la demanda y el inters del fabricante por obtener un mayor beneficio reduciendo los costes de fabricacin. Es en este punto donde interviene la empresa SOFIPLAST, ponindose en contacto con un tcnico de Fundacin ASCAMM (autora del presente proyecto), con intencin de buscar algn mtodo para reducir el tiempo de ciclo del molde en el que se inyectaba el tapn del innovador envase. Precisamente este es el objeto del estudio que nos ocupa: se pretende reducir el ciclo de inyeccin del molde en cuestin mediante la optimizacin del sistema de refrigeracin del mismo.

1.2. Alcance del proyecto

El alcance del proyecto se ha fijado en el diseo del sistema de refrigeracin optimizado del molde objeto de estudio mediante la utilizacin de modelos tericos de transferencia trmica y anlisis reolgico. No obstante, dado el inters de incrementar su productividad por parte de la empresa cliente, est prevista la fabricacin del postizo diseado y su ajuste en el molde existente; as como la realizacin de pruebas de inyeccin.

Para estudiar el comportamiento del material plstico durante el proceso de inyeccin y evaluar la efectividad de la refrigeracin de los modelos propuestos, se ha recurrido al programa de simulacin de anlisis reolgico por elementos finitos Moldflow. Los clculos realizados permitirn la validacin de los resultados obtenidos en la simulacin con los parmetros de inyeccin experimentales.

Cabe destacar que, entre las estrategias planteadas, se ha considerado la utilizacin de una novedosa tecnologa de fabricacin por capas que permite fabricar moldes con circuitos de refrigeracin de geometra libre: el Sinterizado Metlico Directo por Lser o Direct Metal Laser Sintering (DMLS). En este caso, se propone utilizar el DMLS para fabricar el postizo del molde con el circuito de refrigeracin optimizado.

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2. Descripcin del sistema actual

2.1. Generalidades

2.1.1. El proceso de inyeccin

El proceso de inyeccin est destinado a la obtencin de piezas de materiales termoplsticos introduciendo el material bajo presin y a la temperatura adecuada, en un molde atemperado. Una vez solidificado el material, se abre el molde para la extraccin de la pieza.

El material plstico se introduce, a travs de la tolva, en el cilindro de plastificacin donde se aloja el husillo (vase Figura 2.1). ste gira transportando, plastificando y depositando el material en su parte delantera. A medida que el material va llegando a esta zona del husillo, se incrementa la presin en esta zona, obligndole a retroceder mientras este sigue girando y aportando ms material. Una vez se ha conseguido la dosificacin de material establecida, el husillo detiene su rotacin y retroceso, quedando parado hasta que, llegado el momento de la inyeccin, se desplaza hacia delante (sin girar) actuando como un mbolo y dando presin al material que es obligado a entrar en el molde a travs de la boquilla de inyeccin.

El molde suele estar atemperado mediante circulacin de agua o aceite con temperaturas hasta 140C segn el material a transformar. Una vez el material ha alcanzado su temperatura de solidificacin y la pieza es suficientemente rgida para mantener su forma, el molde se abre para la extraccin de la pieza.

En la Figura 2.2 se muestra un esquema del proceso. La suma de los tiempos de las diferentes fases compone el tiempo de total de ciclo de inyeccin.

Figura 2.1. Esquema de la mquina de inyeccin. Fuente: [Ref. 4]

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Los parmetros ms importantes del proceso son aquellos que regulan la etapa de inyeccin. Esta comprende dos fases: la fase de llenado de la pieza y la fase de mantenimiento.

La fase de llenado de la pieza se realiza a alta presin para aumentar la velocidad de llenado y favorecer el acceso de material a todos los puntos del molde. Las principales variables a controlar en esta fase son la presin, la temperatura del material y la velocidad de inyeccin.

La fase de mantenimiento tiene como misin suministrar a la pieza el material suficiente para contrarrestar la contraccin debida al enfriamiento del material. En este caso, las principales variables a controlar son la presin de llenado (menor que en la fase anterior), el tiempo de mantenimiento de la presin y la temperatura del molde.

2.1.2. El molde de inyeccin

Un molde de inyeccin es un conjunto de mecanismos provistos de una cavidad que da forma al material plstico, con ayuda de presin y calor.

Los elementos de un molde se clasifican segn la mitad del molde en que se encuentran situados, el lado mvil o lado de expulsin y el lado fijo o lado de inyeccin. Por otra

Figura 2.2. Fases del ciclo de inyeccin. Fuente: [Ref. 4]

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parte, atendiendo a la figura, todas las formas vaciadas reciben el nombre de cavidad, mientras que las protuberantes, el de punzn.

La lnea perimetral que limita las superficies de cierre con la cavidad a llenar de plstico se denomina lnea de particin.

Si existen zonas sin salida (contra salida o negativo) es necesario disponer de elementos mviles (correderas) que permitan liberar estos negativos en un eje distinto al de desmoldeo.

A modo de ejemplo, se indican en la Figura 2.3 las distintas partes y elementos de un molde elemental.

Figura 2.3. Elementos de un molde elemental. Fuente: [Ref. 2]

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2.2. Anlisis de la pieza a inyectar

La pieza objeto de estudio es el tapn del nuevo envase de leche condensada de La Lechera que se muestra en la Figura 2.4. En la Figura 2.5 se indican las dimensiones principales de la pieza, cuyos planos detallados se adjuntan en el anexo A.

Como puede observarse, se trata de un tapn con una rosca interior mediante la que se ajusta al envase y una tapa de apertura y cierre.

Figura 2.4. Tapn La Lechera.

Figura 2.5. Dimensiones principales de la pieza.

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El material plstico con el que se fabrica la pieza es un polipropileno de la casa Repsol Qumica, concretamente el Isplen PP-084 D2M. En la Tabla 2.1 se especifican las caractersticas tcnicas de este material.

Caractersticas del Isplen PP-084 D2M Temperatura de inyeccin (C) 210-280

Temperatura de molde (C) 30-70

Contraccin (%) 1.7-2.2

Densidad (g/cm3) 0.904

ndice de fluidez (g/10min) 19

Tabla 2.1. Caractersticas tcnicas del ISPLEN PP-084 D2M segn catlogo de Repsolypf

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2.3. Descripcin del molde existente

Para la produccin del tapn en cuestin se utiliza el molde que se muestra en las siguientes fotografas (Figura 2.6). Como puede observarse, se trata de un molde de diecisis cavidades. La fotografa derecha corresponde al lado de inyeccin (cavidad) y la fotografa izquierda corresponde al lado de expulsin (punzn). En ambos lados, se pueden distinguir las entradas y salidas de las mangueras de refrigeracin.

Al realizar la apertura del molde, la pieza queda sujeta en el punzn y deber ser extrada mediante el movimiento de una placa intermedia del molde (mecanismo de expulsin por placa). Adems, en este caso, es necesario disponer de una corredera que permita liberar la tapa del tapn en un eje distinto al de desmoldeo.

2.3.1. Sistema de inyeccin

El sistema de inyeccin o sistema de distribucin es el responsable de conducir el material plstico desde la boquilla de inyeccin (bebedero) hasta la entrada a la cavidad. Al conjunto de ramales de distribucin a travs de los cuales el plstico es conducido se le denomina colada o mazarota.

Figura 2.6. Molde de inyeccin del tapn La Lechera.

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En el molde objeto de estudio, los ramales estn calefactados por resistencias elctricas a la temperatura de plastificacin del polipropileno, de forma que el material llega a la pieza sin que se produzca solidificacin de la colada. Este sistema, denominado comnmente sistema de cmara caliente, se utiliza mucho en moldes de elevada produccin para reducir los desechos de material.

En la Figura 2.7 se presenta un esquema de la zona de figura del molde vista en seccin. Se indican, entre otras cosas, el punto de entrada del material a la cavidad (punto de inyeccin) y el canal de cmara caliente. Para un anlisis detallado del diseo del molde vanse los planos del anexo A.

Normalmente, por razones de esttica, se intenta que la marca del punto de inyeccin sea lo menos visible. En este caso, la marca quedar oculta cuando el tapn est cerrado.

Figura 2.7. Seccin esquemtica del molde

Figura 2.8. Punto de inyeccin.

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2.3.2. Sistema de refrigeracin

El sistema de refrigeracin est divido en cuatro circuitos idnticos e independientes, de forma que cada uno refrigera cuatro figuras. A su vez, cada circuito est dividido en otros subcircuitos que refrigeran las distintas zonas de la pieza (Figura 2.9). Se emplea agua como refrigerante, a temperatura de 15C y presin de 2bar.

Los circuitos que refrigeran el punzn y la cavidad consisten en un conjunto de canales taladrados en las placas del molde. En ambos casos, se emplean circuitos en paralelo para refrigerar cada una de las cuatro figuras. En la Tabla 2.2 de la pgina siguiente se resumen las principales caractersticas del circuito de refrigeracin del punzn.

Para la refrigeracin del punzn roscado que moldea la rosca interior del tapn, se utiliza un circuito en foso con un tubo interior. El refrigerante entra por el tubo central y cae por el canal externo. Los distintos fosos que refrigeran cada una de las cuatro cavidades estn en paralelo, de forma que un nico canal distribuye el refrigerante fro hacia los canales centrales de los diferentes fosos y un nico canal recoge el refrigerante caliente.

Figura 2.9. Refrigeracin de una figura

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Refrigeracin base punzn Dimetro del circuito de refrigeracin (mm) 6

Caudal de refrigeracin por figura (l/min) 3

T agua entrada (C) 15

T agua salida (C) 17

Presin agua entrada (bar) 2

Presin agua salida (bar) 1,2

Para la refrigeracin de la corredera se utiliza un foso con una chapa metlica en medio del canal. En este caso no se emplean circuitos en paralelo, ya que el sistema en serie permite enfriar las diferentes tapas de forma eficaz.

En general, los fosos se utilizan para direccionar y regular el paso de refrigerante hacia zonas de difcil acceso. Debido a los giros adicionales que debe realizar el refrigerante, se incrementa la turbulencia mejorndose la transferencia trmica.

Tabla 2.2. Caractersticas del circuito-punzn

Figura 2.10. Foso con tubo (derecha). Foso con chapa (izquierda). Fuente: [Ref.11]

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2.4. Parmetros actuales de proceso

En la siguiente grfica se indica la secuencia detallada del tiempo de ciclo para la produccin del tapn La Lechera en una mquina de 3200 KN de fuerza de cierre.

Tiempo (s) Operacin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 171,4 Abrir molde0,2 Noyo hidrulico 21,2 Noyo hidrulico 10,2 Noyo hidrulico 3-expulsin1,2 Cerrar molde0,9 Seguro de molde0,4 Formacin de fuerza0,4 Avance del grupo0,9 Inyeccin1 Presin posterior

8,8 Plastificacin10 Enfriamiento

La distribucin porcentual del tiempo de ciclo a cada una de las fases del ciclo, tal y como se muestra en el grfico adjunto, demuestra que el tiempo de enfriamiento supone aproximadamente las partes del tiempo total de ciclo.

Por lo tanto, es evidente que el tiempo de enfriamiento es el parmetro crtico a reducir por parte del transformador, ya que la velocidad de inyeccin y tiempo de mantenimiento son variables limitadas por el material plstico y la capacidad de la mquina.

Las temperaturas de procesado del material plstico se indican en la Tabla 2.3.

Figura 2.11. Secuencia detallada del tiempo de ciclo

Figura 2.12. Distribucin del ciclo (mquina Krauss Maffei: 3200KN, ciclo: 16.6 segundos)

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Temperaturas de procesado ISPLEN T del material dentro del husillo (C) 200-230

T de masa del material(C) 230

T de desmoldeo de la pieza (C) ~56-68

Mediante una sonda trmica de contacto, se ha medido la temperatura en distintos puntos de

la zona interior del tapn justo en el momento de su expulsin.

Tabla 2.3. Temperaturas de procesado del ISPLEN

Tabla 2.4. Temperaturas de desmoldeo medidas en diferentes puntos de la pieza

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2.5. Comprobacin experimental de la temperatura de molde

La temperatura de molde influye de forma decisiva en la calidad de la pieza inyectada. Con temperaturas de molde elevadas, se consiguen buenas superficies (brillo), buena fluidez del material plstico, pocas tensiones internas en la pieza y poca contraccin post-moldeo. Sin embargo, temperaturas de molde elevadas implican largos periodos de enfriamiento. Deber llegarse a un compromiso entre la calidad de la pieza y el tiempo de enfriamiento necesario para conseguirla. En el anexo B se muestran algunos ejemplos sobre la influencia de la temperatura de molde en la calidad de la pieza inyectada.

Dada su importancia, se ha medido la temperatura del punzn mediante una sonda trmica de contacto. A pie de mquina, se tomaron las temperaturas en la zona central y lateral para cuatro punzones refrigerados por el mismo sistema de refrigeracin (Figura 2.13). En la Tabla 2.5 se muestran los resultados obtenidos.

Figura 2.13. Toma experimental de temperaturas de molde

Tabla 2.5. Temperatura del punzn

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Ntese que las temperaturas de un punzn a otro estn bastante equilibradas. Esto es debido al uso de circuitos de refrigeracin divididos (en paralelo), tanto para la refrigeracin del punzn roscado como para el circuito de refrigeracin del punzn.

La temperatura media en el centro del punzn es de 32.5C mientras que la temperatura media en las paredes laterales es de ~66C. Ambos valores estn dentro del rango recomendado por el proveedor del material, 3070C (vase Tabla 2.3). Sin embargo, el enfriamiento no es uniforme, puesto que entre las dos zonas existe una diferencia de temperatura comprendida entre 3036C; siendo las zonas ms calientes las que condicionan el tiempo global de enfriamiento de la pieza.

Estos valores de temperatura ponen en evidencia la necesidad de optimizar la refrigeracin del punzn con objeto de reducir la temperatura en las paredes laterales del mismo, consiguindose as una mayor uniformidad en el enfriamiento y un menor tiempo de ciclo. A tal efecto, se propondrn algunas alternativas que se estudiaran comparativamente mediante anlisis reolgico por elementos finitos. En el siguiente captulo se detallan los principios bsicos de este anlisis aplicndolo al estudio del sistema descrito.

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3. Anlisis reolgico del sistema actual

3.1. Introduccin

Los sistemas de anlisis reolgico son sistemas de simulacin por ordenador que se aplican al anlisis del proceso de inyeccin de piezas de plstico y permiten analizar el comportamiento del plstico durante todo el ciclo de inyeccin. En general, a este conjunto de tcnicas de simulacin por ordenador se les denomina sistemas CAE (Computer Aided Engineering). En este estudio el software de anlisis reolgico utilizado recibe el nombre comercial de Moldflow.

En general, el diagrama de flujo empleado en la simulacin reolgica es el que se muestra en la Figura 3.1. Se parte del modelo CAD del sistema a estudiar: la cavidad del molde. Posteriormente, es necesario mallar el modelo para obtener un modelo discretizado de elementos simples que ser tratado mediante el mtodo de los elementos finitos (MEF). El tercer paso consiste en asignar las variables que definen el anlisis que se desea ejecutar (condiciones de contorno). Las condiciones de contorno y el modelo mallado se dan como entrada al mdulo de clculo del programa que calcula los resultados. Finalmente mediante un mdulo de post-procesado, los resultados se visualizan en colores sobre el modelo.

Figura 3.1. Diagrama de flujo empleado en la simulacin reolgica

Inicio estudio

Modelo CAD

Mallado (Modelo MEF)

Simulacin

Final estudio

Datos del material

Condiciones de inyeccin

Correctos

Incorrectos

Modificaciones

Resultados

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Las mallas pueden estar formadas por tres tipos de elementos: vigas, tringulos y tetraedros.

Los elementos viga son lneas rectas definidas por dos nodos en los extremos y llevan asociada una seccin que determina su geometra.

Los elementos triangulares son elementos planos delimitados por tres nodos. Estos elementos representan la pieza gracias a que se les asigna un espesor, de forma que el programa puede calcular como avanza el plstico por el elemento.

Los elementos tetradricos son elementos 3D y permiten simular porciones slidas de la pieza sin necesidad de otras aproximaciones como ocurre con los elementos viga o los elementos triangulares.

En general, las superficies planas se mallan en tringulos y las coladas o superficies tubulares como por ejemplo los canales de refrigeracin se mallan con elementos de dos nodos. Mientras que con los elementos tetradricos se pueden modelar secciones especiales que no podran ser simuladas con tanta fiabilidad con elementos de dos nodos.

Los diferentes tipos de elementos resultan en diferentes tipos de mallas (Figura 3.2):

Malla de fibra neutra. En la malla de fibra neutra se malla la superficie equidistante de las dos superficies de la pared, esta superficie se denomina la fibra neutra. Para el mallado se utilizan elementos triangulares a los que se les asigna un determinado espesor para representar la pieza.

Malla fusion. Es una malla triangular pero por ambas caras del modelo y con interconexiones entres los nodos de ambas caras.

Malla slida 3D. La malla slida 3D est formada por tetraedros. Estos tetraedros forman pequeos volmenes cerrados que al unirse definen la totalidad del slido.

Figura 3.2. Tipos de mallas. Fuente [Ref.11]

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3.2. Metodologa

3.2.1. Modelado y mallado

Inicialmente se dispone del modelo 3D del tapn La Lechera (Figura 3.3), a partir del cul se ha generado el modelo de superficies, seleccionado las superficies externas de la pieza y simplificado la geometra de la rosca interior a un cilindro de las mismas dimensiones para agilizar los clculos posteriores.

Una vez importado el modelo al programa de simulacin, se ejecuta la funcin de creacin automtica de mallas especificando la densidad de la misma (tolerancia=0.01). Se ha seleccionado la malla de Fibra Neutra puesto que el espesor de la pieza es relativamente uniforme. Finalmente, despus de revisar la calidad de la malla, se ha asignado a cada elemento un espesor medio de pieza de 1.2mm.

Para poder llevar a cabo el anlisis reolgico, adems de la cavidad deben modelarse el sistema de inyeccin y el sistema de refrigeracin del molde. Para ello se han utilizado elementos tipo viga a los que se les ha asignado las propiedades indicadas en las siguientes tablas.

Canales de distribucin Geometra de la seccin Circular recta

Dimetro (mm) Variable (14,12,10,8.5)

Temperatura resistencias elctricas (C) 260

Material del molde Acero P20 (1.2311)

Figura 3.3. Modelo CAD tapn (izquierda). Modelo mallado, densidad 0.01 (derecha)

Tabla 3.1. Propiedades de los canales de distribucin

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La *efectividad en la transferencia trmica (HTE) indica la eficiencia en la transferencia del calor a travs de las superficies del molde. Por defecto, se considera la situacin ideal en que la transferencia trmica es mxima (HTE=1). Ntese que en los fosos con chapa aunque la seccin se define como circular, en realidad es semicircular a efectos de transferencia trmica, por lo que se le asocia una eficacia del 50% (HTE=0.5).

El modelo resultante es el que se presenta a continuacin (Figura 3.4).

Tabla 3.2. Propiedades de los canales de refrigeracin

Figura 3.4. Modelo del sistema cavidad-inyeccin-refrigeracin

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3.2.2. Material

Para simular el proceso de inyeccin de piezas de plstico se debe definir perfectamente el termoplstico que se inyecta. Se necesitan:

Datos de proceso tpicos, como el rango de temperaturas de masa, rango de temperaturas de molde y la temperatura de expulsin del material.

Datos reolgicos del material, como por ejemplo la temperatura de transicin, diagrama de presin-volumen-temperatura y curvas de viscosidad-velocidad de deformacin.

Datos trmicos, como el calor especfico y la conductividad trmica.

El software incorpora una librera interna de materiales en la cual se encuentran caracterizados los materiales ms utilizados. Para realizar la simulacin, se ha seleccionado un PP genrico (Tabla 3.3) puesto que el Isplen PP-084 D2M no aparece en la base de datos del programa.

Material plstico PP genrico Isplen PP-084 D2M

Parmetros de procesado T de masa recomendada (C) 220-260 210-280

T de molde recomendada (C) 20-60 30-70

T de expulsin recomendada (C) 90-100 ~681

Propiedades fsicas Calor especfico a 240C (J/KgC) 2740 -

Conductividad trmica a 240C (W/mK) 0.164 -

Parmetros reolgicos ndice de fluidez (g/10min) 20 19

Modelo de viscosidad Cross-WLF -

Mdulo elstico (MPa) 1340 1650

PVT Densidad slido (g/cm3) 0.892 0.904

Modelo PVT Modelo Tait -

1Puesto que no se dispona de este dato en el catlogo, la temperatura de expulsin del Isplen se ha medido experimentalmente tras la a apertura del molde y la expulsin de la pieza, transcurrido el tiempo necesario para recoger la pieza de la cinta transportadora y realizar la medida (vase Tabla 2.4). Sin embargo, la temperatura a la que el Moldflow hace referencia es la temperatura media que

Tabla 3.3. Propiedades del PP genrico [Ref.12] y del Isplen PP-084D2M segn catlogo

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debe tener la pieza dentro del molde para que pueda expulsarse sin que existan marcas de expulsores, deformaciones, etc.

La siguiente grfica muestra el modelo de viscosidad de Cross-WLF utilizado para el PP genrico a diferentes temperaturas.

Adems de los efectos de viscosidad variable, los plsticos tambin son compresibles. Por tanto, es necesario un modelo para describir este comportamiento. En la siguiente grfica se muestra el modelo considerado para describir la relacin Presin-Volumen-Temperatura (PVT) del polipropileno.

Figura 3.5. Modelo de viscosidad Cross-WLF para el PP. Fuente: [Ref. 12]

Figura 3.6. Modelo Tait para el PP. Fuente: [Ref.12] ]

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3.2.3. Condiciones de contorno

Finalmente, es preciso dar al programa las condiciones de contorno en funcin del tipo de anlisis que se desee realizar. En los apartados 3.3.2, 3.4.2 y 3.5.2 se especifican las condiciones de contorno para cada uno de los anlisis realizados.

En la siguiente tabla se resumen la secuencia de pasos necesarios para llevar a cabo la simulacin, as como las herramientas del software utilizadas.

Pasos Herramientas de Moldflow

1. Modelado y mallado

Modelado y mallado de la pieza (cavidad del molde) Importacin del modelo CAD de la pieza File / Import / Midplane

Mallado de la cavidad Mesh / Generate Mesh

Revisin de la uniformidad del mallado Mesh Diagnostics

Correccin de las imperfecciones de la malla Mesh Tools

Asignacin propiedades elementos de la malla Select element / Properties

Modelado y mallado de los sistemas de distribucin y refrigeracin Modelado del sistema Modeling / Create Nodes

Mallado de superficies tubulares Mesh / Create Beams

Seleccionar tipo de elemento Hot runner, Channel, Bubbler, Baffle Asignacin de las propiedades correspondientes Edit / Assign Properties

2. Seleccin del proceso de moldeo Anlisis / Set process / Injection moulding 3. Seleccin secuencia de anlisis Analysis / Set Analysis Sequence/

4. Seleccin del material plstico Analysis / Select material

5. Definicin punto de inyeccin Analysis / Set injection location

6. Parmetros de proceso Analysis / Process settings

7. Definicin entradas del refrigerante Analysis / Set coolant inlets

8. Definicin del tipo de refrigerante Select coolant inlet / Properties

Tabla 3.4. Secuencia de pasos para la simulacin

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3.3. Anlisis de llenado y anlisis de compactacin

3.3.1. Objetivo y utilidad del anlisis

El anlisis de llenado permite prever el comportamiento del plstico durante el llenado de la cavidad; por ejemplo, para encontrar la posicin ptima de los puntos de inyeccin, estimar la criticidad de los parmetros de proceso, detectar posibles problemas antes de la construccin del molde, etc. Adems, mediante el anlisis de compactacin posterior, es posible calcular la contraccin volumtrica que se produce en cada punto de la pieza y comprobar que quede completamente compactada.

En este caso, el motivo de estudio no es ninguno de los puntos citados anteriormente, puesto que el sistema de inyeccin del molde ya se ha diseado, siendo conocidos tambin los parmetros de proceso que aseguran una calidad de pieza adecuada. Mediante este anlisis se pretende validar los resultados de la simulacin realizada, teniendo en cuenta los parmetros reales de inyeccin y establecer un patrn de simulacin que permita cuantificar la reduccin del tiempo de ciclo para los sistemas de refrigeracin optimizados propuestos en el captulo 4.

3.3.2. Condiciones de contorno

Para el anlisis de llenado de la cavidad, las condiciones de contorno incluyen: el punto de inyeccin, la temperatura de la masa, la temperatura del molde y el tiempo de inyeccin. Adems de estos datos, para realizar el anlisis de compactacin es necesario introducir el perfil de presin de compactacin en funcin del tiempo y el tiempo de enfriamiento aproximado. En la siguiente tabla se resumen los parmetros de consigna utilizados de acuerdo con los valores experimentales.

Condiciones de contorno llenado y compactado T de masa (C) 230 T de molde1 (C) 40 Tiempo de apertura/cierre 3 Tiempo inyeccin (s) 0.9 Tiempo de mantenimiento (P compactado) 1.1 Tiempo de inyeccin+compactado+enfriamiento (s) 13.6 Punto de conmutacin (%llenado) 99 Presin de compactado2 (%P llenado) 80

1A pesar de que la temperatura del molde no es homognea se ha considerado una temperatura media de consigna de 40C. 2Perfil de compactacin constante durante 1.1 segundos.

Tabla 3.5. Datos necesarios para el anlisis de llenado

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3.3.3. Anlisis de resultados

9 Tiempo de llenado En la Figura 3.7 se indica el momento en el que el flujo llega a cada uno de los elementos del modelo. El tiempo mximo (1.116 segundos) representa el tiempo de llenado de la cavidad, es decir, el tiempo que tarda el flujo de material plstico en llenar el 100% del volumen de la cavidad. Ntese que este valor es algo mayor que el del tiempo de inyeccin puesto que la presin de compactado empieza a aplicarse cuando el llenado es del 99%.

El sistema de distribucin debe estar equilibrado para garantizar que el llenado de todas las cavidades sea uniforme. En este caso, el recorrido necesario para llenar las cavidades de los extremos es mayor que el necesario para llenar las cavidades centrales (vase Figura 3.8), por lo que se ha tenido que aumentar el dimetro de los canales laterales de 8.5 a 10 mm para que el llenado estuviera equilibrado.

Figura 3.7. Avance de flujo durante la inyeccin

t: 0.1687s t: 0.5450s

t: 1.116s t: 0.7802s

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9 Presin En el momento de finalizar el llenado, la cavidad est totalmente llena, pero al irse enfriando el material ste se contrae. Para compensar esta contraccin, se aplica la segunda presin o presin de compactacin, esta slo es til hasta el momento en que solidifica el punto de inyeccin. Adems, hay que tener en cuenta que los materiales plsticos son fluidos compresibles y viscosos no newtonianos, y que, por tanto no transmiten perfectamente la presin como lo hara el agua. Por todo esto, las zonas alejadas de los puntos de inyeccin en los que se aplica la presin no reciben la misma presin que las zonas prximas a las entradas.

Figura 3.8. Sistema de distribucin equilibrado

Figura 3.9. Distribucin de presiones en la pieza.

t: 0.8732s

t: 1.097s t: 1.12s

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En la figura anterior se indica la presin para cada elemento del modelo en el punto de conmutacin (izquierda) y en el instante en que finaliza el llenado (derecha). El frente de flujo se haya a presin nula, por lo que el ltimo punto en llenarse al finalizar el llenado, en este caso la tapa, se haya a presin nula; mientras que la presin mxima se da en el punto de entrada a la cavidad.

En la siguiente grfica se muestra la variacin de la presin en el punto de inyeccin a lo largo del tiempo. El valor mximo correspondiente al punto de conmutacin es de 39.62 MPa. A partir de este momento se aplica una presin de compactacin constante de 31.7 MPa durante 1.1segundos.

La fuerza de cierre mxima requerida para el sistema de 4 cavidades simulado es de 50.82 Tn. Teniendo en cuenta que la fuerza de cierre es proporcional a la superficie de pieza proyectada (Ec. 3.1) y que el molde real es de 16 cavidades, multiplicando por 4 este resultado, la fuerza de cierre estimada es de 203.28 Tn (2032KN), valor que queda dentro de los 3200 KN de fuerza de cierre mxima de la inyectora considerada.

3102.1 = PAF proyectadacierre Fcierre= fuerza de cierre (Tn)

Aproyectada= superficie de la pieza proyectada (mm2)

P: presin dentro del molde (Kg/mm2)

Factor de correccin (experimental) ~ 1.2

Figura 3.10. Presin en el punto de inyeccin

(Ec. 3.1)

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9 Temperatura del frente de flujo En la Figura 3.11 se indica la temperatura a la que llega el frente de flujo a cada elemento del modelo durante el llenado de la cavidad. Esta temperatura est comprendida dentro del rango de temperaturas de procesado recomendadas para el PP (220-260C).

9 Lneas de unin y atrapamientos de aire Las lneas de unin que aparecen cuando se encuentran dos frentes de flujo, se producen en zonas no visibles de la pieza por lo que se pueden considerar admisibles. Por otra parte, los puntos en los que el aire queda atrapado se encuentran en las zonas de divisin del molde.

Figura 3.11. Temperatura del frente de flujo

Figura 3.12. Lneas de unin (izquierda). Atrapamientos de aire (derecha).

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9 Contraccin volumtrica y rechupes En la Figura 3.13 se muestra la contraccin volumtrica que sufre cada elemento debido al enfriamiento y al cambio de presin, expresada mediante un porcentaje respecto al volumen original. El resultado volumtrico de la contraccin se utiliza para detectar marcas de rechupes y defectos superficiales en la pieza (contracciones, deformaciones, etc). Para evitarlos, la contraccin volumtrica debe ser uniforme y menor al valor mximo recomendado para el material. Como puede observarse, el rango de contraccin en el momento de expulsin una vez finalizada la fase enfriamiento es de 3.45-10.12%.

En la Figura 3.14 se indica la localizacin y profundidad de los posibles rechupados que pueden aparecer en la pieza. Como ya se intua de los resultados de contraccin volumtrica, el mayor rechupe aparece en la entrada.

Figura 3.13. Contraccin volumtrica

Figura 3.14. Rechupados

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Parmetro Simulacin Experimental Tiempo de llenado (s) 1.116 ~Tiempo de inyeccin=0.9

Presin de inyeccin1 (MPa) 39.62 80

Presin de compactacin1 (MPa) 31.70 64

Fuerza de cierre (KN)1 508 3200KN

T al frente de flujo2 (C) 222.4240 Se desconoce

Contraccin volumtrica en la expulsin (%) 3.4510.12 Se desconoce3

Marcas de rechupados S S

1Los resultados de presin de inyeccin, presin de compactacin y fuerza de cierre no son directamente comparables puesto que el molde real posee diecisis cavidades y en la simulacin, para reducir tiempo de clculo, slo se ha considerado un sistema de cuatro cavidades.

2Se desconoce la temperatura experimental del frente de avance de flujo en la cavidad. Para ello sera necesario posicionar sensores de temperatura en el molde. No obstante, se conoce que la temperatura de masa del ISPLEN es de 230C, 10C inferior a la del PP considerado, por lo que se estima que la temperatura de procesado est comprendida entre 215-230, dentro del rango recomendado por el proveedor de material (210-280C).

3La contraccin sufrida por una pieza inyectada con ISPLEN oscila entre el 1.7% y el 2.2% y se produce fundamentalmente durante las primeras 24 horas despus de su extraccin del molde.

3.3.4. Conclusiones

9 El llenado de las cuatro cavidades est equilibrado.

9 La temperatura del frente de flujo est dentro del rango recomendado.

9 No existirn lneas de unin ni atrapamientos de aire en zonas vistas de la pieza.

9 La contraccin volumtrica es elevada y poco uniforme (el perfil de compactado no es el ptimo).

9 La zona cercana al punto de inyeccin es la ms susceptible a la aparicin de rechupados.

9 Los resultados obtenidos de la simulacin son similares a los reales.

Tabla 3.6. Tabla comparativa de resultados fase de llenado y compactacin

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3.4. Anlisis de refrigeraciones

3.4.1. Objetivo y utilidad del anlisis

La simulacin reolgica de refrigeraciones es un anlisis del intercambio de calor entre el refrigerante, el molde y la pieza de plstico durante el ciclo de inyeccin.

Mediante este anlisis se realizar el diseo y validacin de los modelos de refrigeracin que se presentan en el captulo 4, siendo necesario previamente realizar un anlisis de refrigeraciones del sistema existente. Adems, se comprobar que los resultados obtenidos mediante la simulacin se corresponden con los valores que se han medido experimentalmente.

3.4.2. Condiciones de contorno

Para llevar a cabo el anlisis de refrigeraciones, debe especificarse el tipo de refrigerante (agua en este caso), as como los nodos de entrada al circuito y sus propiedades: temperatura y nmero de Reynolds.

Circuito Dimetro (mm) Caudal (l/min) Reynolds1 T (C) Punzn 10 11.93 22000 15

Punzn roscado 12 9.19 14119 15

Cavidad (serie) 8 11.93 7941 15

Cavidad (paralelo) 10 3.45 22000 15

Corredera 10 4.34 8000 15

1El nmero de Reynolds a la entrada de cada uno de los circuitos se ha fijado de forma que en los canales que rodean la pieza exista flujo turbulento (Re~10000).

3.4.3. Anlisis de resultados

A continuacin se presentan los resultados del anlisis trmico del sistema pieza-molde-refrigerante durante el ciclo de inyeccin.

Tabla 3.7. Propiedades de entrada del refrigerante

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9 Temperatura del refrigerante En las siguientes figuras se indica la temperatura del agua a lo largo de los circuitos de refrigeracin. El incremento de temperatura entre la entrada y la salida no sobrepasa los 1.3C en ninguno de los circuitos.

Figura 3.15. Temperatura del refrigerante a lo largo de los circuitos de refrigeracin

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9 Caudal del refrigerante En los circuitos en paralelo (punzn, punzn roscado y cavidad) el caudal es prcticamente el mismo en cada rama por lo que se considera que las diferencias en el enfriamiento de las distintas piezas son menospreciables.

Figura 3.16. Caudal del refrigerante para los distintos circuitos de refrigeracin

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9 Reynolds del refrigerante En las siguientes figuras puede observarse el nmero de Reynolds a lo largo de cada uno de los circuitos. Los resultados demuestran que el flujo es turbulento (Re~10.000) de forma que queda garantizada una buena eficiencia en la transferencia trmica del refrigerante.

Figura 3.17. Reynolds del refrigerante a lo largo de los circuitos de refrigeracin

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En la siguiente tabla se resumen los resultados de las figuras anteriores:

Resultados anlisis de refrigeraciones: refrigerante

Circuito Rango T (C) T (C)

Caudal entrada (l/min)

Rango Re P (MPa)

Potencia Bombeo

(KW) Punzn 15.0-15.1 0.1 11.93 5564-22000 0.0359 0.007

Punzn roscado 15.0-15.7 0.6 9.19 3555-14119 0.0423 0.006

Cavidad(paralelo) 15.0-15.6 0.5 11.93 5561-22000 0.0374 0.007

Cavidad(serie) 15.0-16.3 1.3 3.45 7941-10588 0.0536 0.003

Corredera 15.0-15.3 0.3 4.34 8000-13093 0.0693 0.005

9 Temperatura en la interfase pieza-pared molde La temperatura en la interfase pieza-pared molde es la temperatura media de la pared del molde en contacto con la pieza para cada elemento del modelo.

La distribucin de temperaturas en la interfase pieza-punzn coincide con los valores medidos experimentalmente en la superficie del punzn. La temperatura en la zona central es de 32.36C siendo el valor experimental de 32.5C; mientras que en la zona lateral el valor de temperatura obtenido es de 60.46C y el valor experimental medio est alrededor de los 66C (vase Tabla 2.5, pgina 20).

Tabla 3.8. Resultados del anlisis de refrigeraciones: refrigerante

Figura 3.18. T en la interfase pieza-cavidad (izquierda). T en la interface pieza-punzn (derecha).

Zonas calientes

Pg. 42 Memoria

Como ya se haba indicado anteriormente, la zona ms caliente corresponde a la zona ms elevada del punzn (tal y como se indicaba en la Figura 3.18) puesto que es la zona ms alejada del circuito que refrigera la base del mismo.

9 Diferencia de temperatura entre interfaces pieza-cavidad y pieza-punzn En Figura 3.19 se indica la diferencia entre la temperatura media de la interfase pieza-cavidad y la temperatura media de la interfase pieza-punzn para cada elemento del modelo.

Las diferencias de temperatura entre ambos lados del molde son muy elevadas, sobretodo en la zona superior de la cavidad (indicada en azul en la figura anterior) en la que la temperatura en la superficie del punzn es 41.73C mayor que la temperatura de la cavidad. Estas diferencias de temperatura pueden motivar deformaciones en la pieza, por lo que debern reducirse tanto como sea posible.

9 Temperatura mxima de la pieza en la expulsin La temperatura mxima de la pieza en la expulsin es de 68.12C, siendo este valor muy similar al medido experimentalmente (vase Tabla 2.4, pg. 19). Como ya se ha comentado anteriormente, debe tenerse en cuenta que la medida de temperatura se ha realizado transcurridos algunos segundos despus de que la pieza haya sido expulsada del molde y el resultado de Moldflow hace referencia a la temperatura de la pieza dentro del molde en el momento de su expulsin. En ambos casos, esta temperatura es inferior a la temperatura de expulsin recomendada para el PP genrico (vase Tabla 3.3, pg. 27).

Figura 3.19. Diferencia de temperatura entre interfaces pieza-cavidad y pieza-punzn

Pg. 43 Memoria

En la siguiente tabla se resumen los resultados indicados en las figuras anteriores. Estos valores servirn de referencia para cuantificar las mejoras que se consiguen con el sistema de refrigeracin optimizado.

Resultados anlisis de refrigeraciones: molde y pieza

Temperatura mnima de la interfase pieza-cavidad (C) 15

Temperatura mxima de la interfase pieza-cavidad (C) 43.24

Temperatura mnima de la interfase pieza-punzn (C) 15.19

Temperatura mxima de la interfase pieza-punzn (C) 68.12

Diferencia de T media interfase cavidad-punzn (C) 18.00

Diferencia de T mx. interfase cavidad-punzn (C) 41.73

Temperatura mxima de la cavidad del molde (C) 70.81

Temperatura mnima de la cavidad del molde (C) 15.00

Temperatura media de la cavidad del molde (C) 32.36

Temperatura exterior molde (C) 25.30

Temperatura mxima de la pieza en la expulsin (C) 68.12

Figura 3.20. Temperatura media de la pieza al final del tiempo de enfriamiento

Tabla 3.9. Resultados del anlisis de refrigeraciones: molde y pieza

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3.4.4. Conclusiones

9 El caudal de refrigerante utilizado garantiza un flujo turbulento adecuado para una buena transferencia trmica.

9 El incremento de temperatura del refrigerante en cada uno de los circuitos no sobrepasa los 1.3 C.

9 La temperatura media de la superficie del punzn es mayor que la de la superficie de la cavidad, siendo notables las diferencias entre ambas.

9 La distribucin de temperaturas en el molde no es uniforme, sobretodo en el punzn.

9 La temperatura media del molde se estima en 32.36C y la temperatura mxima de expulsin de la pieza al final del enfriamiento es de 68.12C.

9 Los resultados obtenidos de la simulacin son similares a los reales.

9 Debe optimizarse el sistema de refrigeracin para optimizar la distribucin de temperaturas en el molde y hacerla ms uniforme.

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3.5. Anlisis de deformaciones

3.5.1. Objetivo y utilidad del anlisis

Mediante este anlisis es posible predecir las deformaciones que sufre la pieza una vez enfriada debido a las tensiones internas acumuladas durante el proceso de inyeccin. Adems permite detectar las causas de las deformaciones y cuantificarlas segn: diferencias de enfriado, diferencias en la orientacin y diferencias en el compactado. Ntese que para llevar a cabo el anlisis de deformaciones, es necesario realizar previamente el anlisis de llenado y compactado.

El presente estudio se centra en las deformaciones motivadas por diferencias en el enfriamiento (para ms informacin vase apartado B.5 del Anexo B).

3.5.2. Anlisis de resultados

9 Desplazamiento total en cada nodo respecto a la posicin original En la Figura 3.21 se representan los milmetros de desplazamiento de los nodos una vez finalizada la inyeccin respecto a la posicin original que deberan tener si hubiesen mantenido la posicin que tenan en el interior del molde. Los resultados indican que la deformacin ms acusada (en rojo) se da en la tapa del tapn.

Las dimensiones finales de la pieza deben estar dentro de las tolerancias permitidas para garantizar la calidad adecuada. El control dimensional que se efecta sobre pieza inyectada

Figura 3.21. Desplazamiento total en cada nodo respecto a la posicin original

Pg. 46 Memoria

(vase anexo C) consiste en medir la altura desde el borde inferior de la tapa hasta el borde superior del anillo (33.65+/-0.2mm) y el dimetro interior de la rosca en el sentido del eje largo de la tapa (32.2+/-0.2mm). Ntese que la diferencia de altura comprendida entre los nodos N4102 y N2622 indicados en la Figura 3.22 (32.78mm), no coincide con la cota funcional de la pieza (33.65+/-0.2mm). Esto es debido a las simplificaciones realizadas en el modelado.

En la Tabla 3.10 se muestra la posicin inicial de los nodos sealados y la posicin final de los mismos despus del enfriamiento.

N2622 N4102 Distancia

Posicin Inicial (87.35, 0.00, 23.99) (86.41, 32.78, 9.00) (-0.94, 32.78, -14.99) 36.05

Posicin final (87.34, 0.19, 23.69) (86.41, 32.67, 8.80) (-0.93, 32.47, -14.88) 35.73

Desviacin (0.00,0.19,-0.30) 0.36 (0.00,-0.11,0.20)

0.23 0.32 (0.89%)

Despus del enfriamiento, la altura entre nodos se ha reducido a 32.47 debido a la contraccin volumtrica sufrida por la pieza. La desviacin respecto a la distancia inicial es de 0.32mm (0.89%), tal y como se indicaba en la Figura 3.21. Teniendo en cuenta que las tolerancias permitidas son de +/-0.2mm, debera tratar de reducirse la desviacin dimensional de la pieza, motivada principalmente por diferencias en la contraccin (Figura 3.23). No obstante, estas tolerancias deben considerarse previamente durante la fabricacin del molde.

9 Diferencias en la contraccin Las deformaciones indicadas en la Figura 3.23 son debidas a diferentes grados de compactado de la pieza (vase Figura 3.9, pg. 32) dando lugar a diferencias de contraccin que generan tensiones.

Figura 3.22. Cotas de control dimensional. Cad (izquierda). Malla (derecha).

Tabla 3.10. Desplazamiento total en los nodos N4102 y N2622

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Para reducir el nivel de deformaciones debidas a diferencias en la contraccin, sera conveniente optimizar el perfil de compactado empleado.

9 Diferencias en el enfriado. En la Figura 3.24 se muestran las deformaciones debidas a problemas de enfriamiento de la pieza. Estas, notablemente inferiores a las anteriores, estn directamente relacionadas con el sistema de refrigeracin.

Finalmente, deberan considerarse las deformaciones debidas a las diferencias en la orientacin de las molculas y su efecto en la contraccin. Normalmente estas diferencias tienen que ver con la fase de llenado y la solucin est relacionada con el grosor de la pieza y la posicin del punto de inyeccin.

Figura 3.23. Deformaciones debidas a las diferencias en la contraccin

Figura 3.24. Deformaciones debidas a las diferencias en el enfriado

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El efecto de la orientacin de las molculas sobre las deformaciones es especialmente importante en materiales cristalinos cargados. Este no es el caso y las deformaciones son casi nulas, del orden de 0 a 10-8.

3.5.3. Conclusiones

9 Las desviaciones dimensionales son debidas principalmente a diferencias en la contraccin del material.

9 La tapa es la zona que presenta una mayor contraccin (en sentido longitudinal) motivada por las diferencias de presin en la fase de compactado. Esto podra derivar en problemas de apertura y cierre del tapn.

9 Las desviaciones motivadas por diferencias en el enfriamiento son notablemente inferiores en comparacin con las anteriores.

9 No existen problemas de deformacin por diferencias en la orientacin del material durante el llenado.

En base a las pautas de diseo de sistemas de refrigeracin de moldes de inyeccin y

teniendo en cuenta los resultados del anlisis reolgico realizado, se proponen en el

siguiente captulo varios modelos para optimizar la refrigeracin del molde objeto de estudio.

Figura 3.25. Deformaciones debidas a las diferencias en la orientacin

Pg. 49 Memoria

4. Diseo optimizado del sistema de refrigeracin

4.1. Generalidades

El objetivo del sistema de refrigeracin del molde es alcanzar y mantener la temperatura adecuada de moldeo. La eficiencia del sistema depender de la cantidad de calor que pueda ser extrado del material plstico en el menor tiempo posible, a una determinada temperatura de molde. Por otra parte, un enfriamiento uniforme mejora la calidad superficial de la pieza reduciendo las tensiones residuales y manteniendo precisin dimensional y estabilidad. Estos conceptos, velocidad de enfriamiento y uniformidad en el enfriamiento, debern tenerse en cuenta en el diseo de la refrigeracin del molde.

En general, el diseo del sistema de refrigeracin se realiza siguiendo las siguientes pautas:

Igual superficie de refrigeracin en cavidad y punzn para que la velocidad de enfriamiento sea la misma en toda la masa y evitar as posibles deformaciones en la pieza. En general, la diferencia de temperaturas entre cavidad y punzn no debe sobrepasar los 20C.

Conviene dividir la refrigeracin en varios circuitos de forma que el incremento de temperatura en cada uno sea mnimo (T=25C). En los circuitos excesivamente largos, tanto el incremento de temperatura del refrigerante como las prdidas de carga son mayores. En estos casos, se recomienda utilizar circuitos de refrigeracin paralelos.

Figura 4.1. Influencia de la refrigeracin en la calidad de la pieza inyectada. Fuente: [Ref. 12]

Figura 4.2. Divisin de circuitos. (a: serie, b: serie, c: paralelo). Fuente: [Ref. 12]

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Si se utilizan circuitos en paralelo, el caudal de refrigerante que circula por cada uno debe estar equilibrado.

El dimensionado del circuito de refrigeracin en funcin del tamao y el espesor de la pieza debe garantizar la evacuacin del calor aportado por el plstico en el tiempo de enfriamiento definido como consecuencia del ciclo de refrigeracin que debe cumplir el molde para ser homologado por el transformador.

Debe tenerse en cuenta la presin que requiere el medio de enfriamiento. Si el dimetro de los canales de refrigeracin es excesivamente pequeo, habr ms prdidas de presin.

Para que el enfriamiento de la pieza sea uniforme, la posicin y nmero de los canales de refrigeracin debe garantizar: una superficie de intercambio de calor canal-molde suficiente y flujo de refrigerante turbulento.

Definidas la dimensin y disposicin de los canales de refrigeracin, a mayor nmero de Reynolds, mayor coeficiente de transmisin de calor del refrigerante.

Figura 4.3. Coeficiente de transferencia trmica en funcin del Reynolds. Fuente: [Ref. 14]

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4.2. Objetivos

El objetivo ltimo de este anlisis es reducir el tiempo de ciclo manteniendo la calidad de pieza adecuada.

El estudio se centra en optimizar la refrigeracin del punzn del molde, que actualmente es la zona ms caliente y por tanto la que limita el tiempo de enfriamiento de la pieza.

4.3. Estrategias de optimizacin del sistema de refrigeracin

En general, las piezas contraen hacia el punzn que las moldea, provocando una transferencia de calor directa hacia la zona. Es por esto que la refrigeracin del punzn resulta siempre muy crtica.

En la figura siguiente se presenta un ejemplo de contraccin hacia el punzn debido a la presencia de esquinas en la pieza. Mientras la esquina exterior tiene dos aristas a travs de las cuales disipar calor, la ms interna no tiene ninguna arista de contacto con el molde. Consecuentemente, la parte interna tardar mucho ms en enfriarse que la parte exterior de la esquina y, por tanto, su contraccin ser mayor que en la parte exterior. Al ser la contraccin mayor, sus medidas sern menores de las esperadas. Este decremento de las medidas se traduce en una deformacin tendente a cerrar el ngulo de la esquina.

En la Figura 4.5 se exponen algunos ejemplos extrados de la bibliografa [Ref. 9-10,14] de posibles circuitos de refrigeracin para distintos tipos punzones.

Figura 4.4. Ejemplo de contraccin de la pieza hacia el punzn. Fuente: [Ref. 14]

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El ltimo ejemplo de la tabla anterior es el sistema ideal de refrigeracin para tapones con rosca interna como el tapn de La Lechera. La refrigeracin del punzn roscado interior se consigue por foso con tubo, mientras que el espacio entre la pared externa del tapn y la rosca interior est refrigerado mediante un canal helicoidal. En el caso que nos ocupa, esta zona no est refrigerada directamente sino que se refrigera gracias al circuito existente en la base del punzn.

Figura 4.5 Sistemas de refrigeracin para punzones. Fuente [Ref. 14]

Figura 4.6. Esquema vista en seccin del molde (punzn indicado en azul claro).

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Por tanto, el objeto de este estudio es el diseo de un sistema que consiga optimizar la refrigeracin de la zona actualmente no refrigerada, ya sea de forma directa o indirecta.

4.3.1. Estrategia 1: diseo optimizado del circuito de refrigeracin

De acuerdo con la bibliografa consultada [Ref. 9-10,14], si la distancia entre la pared exterior del tapn y la rosca interior es mayor de 4mm, es posible utilizar un circuito de refrigeracin de doble hlice para refrigerar esta zona. El agua llega hasta la punta del punzn por una hlice y retorna por la otra.

En piezas con geometras de simetra por rotacin, los canales helicoidales garantizan un enfriamiento eficiente y uniforme. Sin embargo, el tapn de La Lechera no cumple con este requisito, puesto que la rosca interior es cilndrica mientras que la pared externa del tapn es un tronco de cono de base elptica; por tanto, la distancia comprendida entre ambas no es constante.

En el punzn, esta distancia pasa aproximadamente de 9.6mm a 3.9mm para las secciones transversales correspondientes al dimetro primario y secundario de la base elptica del tapn (vase Figura 4.9).

La distancia mnima es demasiado estrecha para hacer pasar un canal de refrigeracin. Aunque el dimetro del canal fuera mnimo, por ejemplo de 2mm, la pared de punzn a

Figura 4.7. Circuito de doble hlice para s>=4mm. Fuente: [Ref. 14]

Figura 4.8. Distancia pared exterior-rosca interior

Distancia mnima

Distancia mxima

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ambos lados quedara reducida a ~1mm y probablemente no resistira los esfuerzos mecnicos a los que est sometido el punzn durante la inyeccin. Adems, si el dimetro del circuito es excesivamente pequeo, las prdidas de carga sern elevadas y no podr garantizarse la presin requerida por el sistema. Tambin hay que tener en cuenta que los sedimentos del fluido en circulacin y la oxidacin pueden estrechar an ms los canales y provocar embotamientos.

Por tanto, debido a las limitaciones dimensionales, el diseo del circuito queda restringido al espacio entre paredes de pieza correspondiente a la seccin ms ancha del punzn, que es justamente la que se encuentra a mayor temperatura (vase Figura 3.18, pg. 41).

En el apartado 4.4 se detalla el procedimiento a seguir para el dimensionado del circuito de refrigeracin optimizado. Posteriormente, se realizar la validacin del diseo mediante simulacin realizando los ajustes que sean necesarios.

Cabe destacar, que para la fabricacin de este componente del molde con circuito de refrigeracin optimizado, est previsto utilizar una innovadora tecnologa de fabricacin por capas: el Sinterizado Metlico Directo por Lser o Direct Metal Laser Sintering (DMLS). Esta tecnologa permite fabricar moldes con circuitos de geometra libre y por tanto no ser necesario tener en cuenta las limitaciones de fabricacin existentes si se utilizasen otras tcnicas de mecanizado convencionales. En el apartado 6 se detallan algunas de las ventajas e inconvenientes del DMLS aplicado al caso de estudio.

Figura 4.9. Secciones transversales del punzn y distancias crticas

Pg. 55 Memoria

4.3.2. Estrategia 2: uso de insertos de cobre

La segunda propuesta que se plantea para la optimizacin de la refrigeracin consiste en emplear metales de muy buena conductividad trmica como son las aleaciones base cobre (Cu-Be). Este inserto contribuye al enfriamiento de la caperuza cuando se refrigera intensamente el pie del ncleo y el espesor del inserto es menor a 3 mm en el punto en que hay que disipar el calor.

En la siguiente tabla se resumen las ventajas e inconvenientes de las estrategias comentadas.

Ventajas Inconvenientes

Refrigeracin mediante circuito optimizado

Enfriamiento focalizado a las zonas crticas Prdidas de presin elevadas

Circuito ajustado a la geometra de la pieza Posibles problemas de embotamiento del canal (sedimentos y oxidacin) Flujo turbulento Poca resistencia mecnica de las paredes

Limitaciones dimensionales

Refrigeracin mediante insertos de cobre

Enfriamiento uniforme Menor vida til del punzn

Disipacin rpida del calor Coste del material elevado Rpido equilibrio de las tensiones internas (evita deformaciones)

Mejora el acabado superficial

Tabla 4.1. Ventajas en inconvenientes de las estrategias comentadas

Pg. 56 Memoria

4.4. Clculos de diseo de la refrigeracin mediante balance trmico del sistema

En las pginas siguientes se detalla el anlisis trmico del sistema pieza-molde-refrigerante realizado para optimizar el diseo del circuito de refrigeracin. Los pasos para el clculo del diseo de la refrigeracin se resumen en el siguiente diagrama de flujo:

Para simplificar los clculos, se han considerado las siguientes hiptesis:

Hiptesis 1. El flujo de calor es unidimensional.

Hiptesis 2. El proceso de inyeccin est en estado casi-estacionario.

Hiptesis 3. Se considerarn valores medios constantes a lo largo del tiempo.

Hiptesis 4. La transmisin de calor se da mayoritariamente por conduccin.

Figura 4.10. Diagrama de flujo del mtodo de clculo del diseo de la refrigeracin

Balance trmico

Clculo de VC

Clculo de dc

Modificaciones

Posicionamiento canales

Clculo de las prdidas de carga

Diseo optimizado

tciclo objetivo

Pg. 57 Memoria

4.4.1. Estimacin del tiempo de enfriamiento

El tiempo de enfriamiento de una pieza puede estimarse a partir de la ecuacin 4.2 para el caso ideal de una placa plana. Esta expresin es solucin de la ecuacin diferencial de Fourier que describe la conduccin trmica unidimensional para un sistema no estacionario (Ec. 4.1).

2

2

xTa

tT

=

siendo

pcka=

=

WE

WMc TT

TTa

st 8ln 222

a : difusividad trmica del material plstico

: densidad del material plstico k: conductividad trmica del material plstico

cp: calor especfico del material plstico

tC: tiempo de enfriamiento de la pieza

s: grosor de pared de la pieza

:ET temperatura media de desmoldeo de la pieza

TM: temperatura de masa del material plstico

:WT temperatura media de pared de la cavidad del molde

Dado un determinado material plstico, los parmetros que afectan al tiempo de enfriamiento son: el espesor de la pieza, la temperatura de desmoldeo, la temperatura de molde y la temperatura de masa. En la Figura 4.11 se indica la influencia de cada uno para un caso genrico.

El cuadrado del espesor de pieza es el parmetro ms influyente en el tiempo de ciclo. Si se duplica el espesor, se multiplica por cuatro el tiempo de enfriamiento.

Si aumenta la temperatura de desmoldeo se reduce el tiempo de enfriamiento necesario para alcanzar esta temperatura.

Si aumenta la temperatura del molde, aumenta el tiempo de enfriamiento.

(Ec. 4.1)

(Ec. 4.2)

Pg. 58 Memoria

La temperatura de masa del material plstico afecta al tiempo de enfriamiento en menor grado que el resto de parmetros.

De acuerdo con la ecuacin 4.2, considerando un espesor medio de pieza de 1.2mm, una difusividad trmica del PP de 0.06 mm2/seg [Ref. 10] y las temperaturas mximas (limitantes) de cavidad y pieza en la expulsin, el tiempo de enfriamiento terico del tapn de La Lechera es de 10.21 segundos (vase Tabla 4.2).

Parmetros Terico Real en mquina T de masa, TM (C) 230 230 T mx. de desmoldeo, TEmax (C) 68 ~68 T mxima de cavidad, TWmax (C) 66 66 Tiempo de enfriamiento, tC 10.21 10

Las diferencias con respecto al tiempo real de enfriamiento en mquina, ~10 segundos (Figura 2.11, pg.18) pueden ser debidas a que en la ecuacin 4.2 no se considera la

Figura 4.11. Influencia del espesor de pieza, temperatura de desmoldeo, temperatura de molde y temperatura de masa en el tiempo de enfriamiento. Fuente: [Ref. 13]

Tabla 4.2. Tiempo de enfriamiento terico

Pg. 59 Memoria

geometra de la pieza. Adems, debe tenerse en cuenta que la temperatura de expulsin se ha medido algunos segundos despus de que la pieza sea expulsada y por tanto, la temperatura de la pieza dentro del molde en el momento de expulsin ser algo mayor y en consecuencia, el tiempo de enfriamiento ser algo menor. Por ejemplo, si se considera una temperatura de expulsin en molde de 70C, el tiempo de enfriamiento sera de acuerdo con la ecuacin 4.2, de 8.52 segundos (vase Figura 4.12).

Tiempo de enfriamiento vs T de expulsin

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

65 70 75 80 85 90 95 100 105

TE (s)

tc (s

)

Tiempo de enfriamiento vs T de cavidad

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

T cavidad (C)

tc (s

)

Figura 4.12.Tiempo de enfriamiento vs. T de expulsin para el tapn La Lechera segn la Ec. 4.2 (TM=230C, TWmax=66C, s=1.2mm)

Figura 4.13.Tiempo de enfriamiento vs. T de cavidad para el tapn La Lechera segn la Ec. 4.2 (TM=230C, TEmax=68C s=1.2mm)

Pg. 60 Memoria

Para realizar una primera estimacin del diseo del circuito, en los siguientes apartados se tomar como referencia un tiempo de ciclo objetivo de 14.6 segundos (dos segundos inferior al tiempo real para el sistema de refrigeracin actual).

4.4.2. Balance trmico en el molde

El objetivo del balance trmico del molde es establecer la cantidad de calor que debe ser eliminada por el medio del sistema de refrigeracin para un determinado tiempo de ciclo. El calor aportado al molde se considera positivo y el calor eliminado del molde se considera negativo, ambos deben estar en equilibrio:

UCADM QQQQ &&&& +=+ MQ& : Flujo de calor aportado por el material plstico

UQ& : Intercambio trmico con el ambiente

ADQ& : Flujo de calor adicional (ej. calor aportado por un canal caliente)

CQ& : Intercambio trmico con el refrigerante

Calor que se desprende de la pieza

La cantidad de calor que se desprende de la pieza depende su masa y del tipo de plstico inyectado. En estado estacionario, puede considerarse que el calor se distribuye a lo largo del ciclo de inyeccin, por tanto, el flujo de calor puede expresarse como la cantidad de calor dividida entre el tiempo de ciclo.

(Ec. 4.3)

Figura 4.14. Balance trmico en un molde de inyeccin. Fuente: [Ref. 14]

Pg. 61 Memoria

ciclo

MM t

hmQ = &

mM: masa de material plstico inyectada

h: variacin de entalpa entre TM y TE

La variacin de entalpa del PP entre la temperatura de masa y la temperatura de desmoldeo es aproximadamente de 500.000 J/Kg segn se indica en la Figura 4.15.

Conociendo adems la cantidad de material que se inyecta en un ciclo (204.8 g) y el tiempo de ciclo, el flujo de calor aportado por el PP en un en un ciclo se estima en 7014 W.

Intercambio trmico con el ambiente

La transmisin de calor entre el molde y el ambiente tiene lugar por tres mecanismos distintos: conduccin, conveccin y radiacin.

CondRadCoU QQQQ &&&& ++= CoQ& : Flujo de calor disipado por conveccin

RadQ& : Flujo de calor disipado por radiacin

CondQ& : Flujo de calor disipado por conduccin

El flujo total de calor intercambiado es muy difcil de medir experimentalmente, por lo que se suele menospreciar o bien estimar a partir de modelos tericos como el que se presenta a continuacin.

(Ec. 4.4)

Figura 4.15. Entalpa especfica para algunos termoplsticos semicristalinos. Fuente: [Ref. 10]

(Ec. 4.5)

Pg. 62 Memoria

Segn la ley de transferencia trmica de Newton, el flujo de calor disipado al ambiente por conveccin puede expresarse como:

+=tciclo

toffAATTQ TRSUMoACo)(&

AS: rea de las paredes laterales del molde

ATR: lnea de particin

A: Coeficiente de transferencia de calor hacia el aire (aire en calma: 8 W/m2K) TMo: temperatura de las paredes externas del molde

TU: temperatura ambiente

toff: tiempo durante el que el molde est abierto

Conocidas las dimensiones del molde (796x526x564mm), se ha calculado de forma aproximada el rea de las paredes laterales (AS=2.99m2) y de la lnea de particin del molde (ATR=1m2).

La temperatura de las paredes externas del molde se ha estimado mediante la correlacin experimental que se indica en la grfica inferior.

Para un temperatura de refrigerante de 16C, la diferencia de temperatura entre las paredes del molde y el ambiente es de -2C. Considerando una temperatura ambiente de 20C, la temperatura de las paredes externas del molde se estima en 18C.

Con todos estos datos, aplicando la ecuacin 4.6, el flujo de calor disipado por conveccin estimado es de 52 W.

(Ec. 4.6)

Figura 4.16. Correlacin experimental entre el T de las paredes externas del molde y el ambiente y la T del refrigerante. Fuente: [Ref. 14]

Pg. 63 Memoria

Por otra parte, segn la ley de Stefan-Boltzmann, el flujo de calor disipado al ambiente por radiacin puede expresarse:

=

4.

4.

100100 UabsMoabsRSRad

TTCAQ &

CR: Constante de radiacin (cuerpo negro5.77 W/(m2K4), fuente: [5]). : Emisividad trmica (0.8 para moldes en produccin, fuente: [5]).

Considerando una emisividad trmica del acero de 4.611 W/m2K4 y aplicando la ecuacin anterior, el calor disipado por radiacin a travs de las paredes del molde se estima en 28 W.

Finalmente, el calor disipado por conduccin hacia los platos de la mquina puede calcularse mediante la expresin:

)( UMoCICond TThAQ =& h: coeficiente de transferencia de calor.

ACI: rea de contacto con los platos de cierre.

Considerando un rea de contacto del molde con los platos de la mquina de ACI =0.84 m2 y un coeficiente de transferencia trmica para acero de baja aleacin de 98 W/(m2K), el calor de calor disipado por conduccin se estima en 164.4W.

De acuerdo con el modelo planteado (Ec. 4.5), el calor total disipado hacia el ambiente ser de 244 W.

Si se tuviera en cuenta la temperatura exterior del molde obtenida de la simulacin del sistema actual, 25.30C (vase Tabla 3.9, pg. 43) y se considerara una temperatura ambiente de 25C, se podra menospreciar el calor disipado al ambiente.

(Ec. 4.7)

(Ec. 4.8)

Pg. 64 Memoria

4.4.3. Clculo del caudal de refrigerante

Conocidos el calor aportado por el material plstico y el calor disipado hacia el ambiente, a partir del balance trmico se puede determinar el calor que deber ser absorbido por el refrigerante.

UADMC QQQQ &&&& +=

Menospreciado el calor aportado por las resistencias de los canales de distribucin ( ADQ& =0), el calor a eliminar por el refrigerante para enfriar las diecisis piezas es de 6670 W y para enfriar una, de 423 W.

Este calor ser absorbido por el agua que circula por los circuitos de refrigeracin que rodean la pieza. No obstante, para realizar los clculos de dimensionado del circuito del punzn se ha considerado que ste absorbe un 45% del calor total (190 W).

El caudal de refrigerante mnimo necesario para eliminar esta cantidad de calor vendr determinado por el incremento de temperatura mximo permisible del refrigerante.

(Ec. 4.9)

Figura 4.17. Distribucin del calor total a evacuar por los distintos circuitos de refrigeracin

Pg. 65 Memoria

CCC

CC TC

QV = &&

CV& : caudal de refrigerante C: densidad del refrigerante (1000 g/dm3, agua a 20C)

CC: calor especfico del refrigerante (4.18 J/gC, agua a 20C)

CT : Incremento de temperatura del refrigerante

En este caso, puesto que se trata de un molde de gran precisin, el incremento de temperatura mximo se ha fijado en 1.5C, siendo el caudal de refrigerante estimado de 1.82 l/min ~2 l/min.

En la siguiente tabla se presentan los resultados anteriores a modo de resumen:

Parmetro Valor Tiempo de ciclo objetivo, tc (s) 14.6

Calor aportado por el material plstico, MQ& (W) 7014 Calor calor disipado por conveccin, CoQ& (W) 52 Calor disipado por radiacin, RadQ& (W) 28 Calor disipado por conduccin, CondQ& (W) 164 Calor total disipado hacia el ambiente, UQ& (W) 244 Calor a eliminar por el refrigerante para enfriar 16 piezas, CQ& (W) 6770 Calor a eliminar por el refrigerante para enfriar 1 pieza 423

Calor a eliminar por circuito del punzn para enfriar 1 pieza 190

Caudal de refrigerante para el circuito del punzn, CV& (l/min) 2

4.4.4. Clculo del dimetro del canal de refrigeracin

A lo largo del circuito de refrigeracin, el flujo de refrigerante est sometido a prdidas de presin que tambin debern considerarse en el diseo del circuito.

PjuntasPkPcPtotal ++=

2)(2

ccc

ccC vdLfP = con 4/1Re

3164.0=Cf para tuberas sin depsitos

(Ec. 4.10)

Tabla 4.3. Resumen de resultados del balance trmico

(Ec. 4.11)

(Ec. 4.12)

Pg. 66 Memoria

2)(2

cc vKcncPk=

CP : Prdidas de carga por friccin fC: Factor de friccin en tuberas

C : Densidad del refrigerante (~1000 Kg/m3, agua a 20C) C : Viscosidad cinemtica del refrigerante (~1.00210-3 Kg/m.s, agua a 20C)

LC: Longitud del circuito de refrigeracin

dC: Dimetro del canal de refrigeracin

cv : Velocidad del refrigerante

Pk : Prdidas de carga en los giros nC: Nmero de giros

KC: Coeficiente de resistencia

De las ecuaciones anteriores, se deduce la expresin 4.14 que permite estimar el dimetro del circuito dada una determinada geometra y conocido el caudal del refrigerante. Ntese que se han menospreciado las prdidas de carga en las juntas.

42

2

2

16

+= CCC

CC

CCC Knd

LfpVd

Para el diseo inicialmente propuesto, la zona a dimensionar (indicada en rojo en la Figura 4.18) presenta una longitud de 116 mm y ocho giros redondeados de menos de 90 (Kc=0.4).

(Ec. 4.13)

(Ec. 4.14)

Figura 4.18. Esquema de la geometra propuesta para el circuito de refrigeracin del punzn.(Diseo 1: H=24mm, B=20)

Nuevo circuito

Pg. 67 Memoria

Para una prdida de carga de 20KPa. El dimetro del circuito que se obtiene como resultado de aplicar la ecuacin 4.14 es de 3.54mm~4mm. En la Tabla 4.4 se indican los valores utilizados para el clculo.

Parmetro Valor

Prdidas de carga, p (Pa) 20000

Caudal de refrigerante, CV& (l/min) 1.82 Velocidad del refrigerante, cv (m/s) 3.09 Nmero de Reynolds, Re 10900

Coeficiente de friccin, fc 0.03

Coeficiente de resistencia, Kc 0.40

Nmero de giros, nc 8

Longitud del circuito, Lc (mm) 116

Dimetro del canal, dc (mm) 3.54

4.4.5. Posicionamiento del circuito de refrigeracin

Para que el enfriamiento de la pieza sea uniforme, la distancia entre centros de canales de refrigeracin (B) y la distancia del centro del canal a la pared de la cavidad (C) han de ser pequeas. En caso de que el diseo slo permita distancias B elevadas, conviene incrementar la distancia C, vase la Figura 4.19 a modo de ejemplo.

Tabla 4.4. Clculo del dimetro del circuito

Figura 4.19. Posicionamiento de los canales de refrigeracin. Fuente [Ref. 14]

Pg. 68 Memoria

No obstante, existen lmites condicionados por razones de resistencia del material que deben ser considerados para que el molde pueda soportar los esfuerzos a los que est sometido durante el proceso de inyeccin.

En este caso, la zona a refrigerar es extremadamente estrecha (

Pg. 69 Memoria

Para que la temperatura en superficie de la cavidad sea lo ms uniforme posible, en caso de plsticos semicristalinos (como el PP) el error de enfriamiento debe estar entre 2.5 y 5%.

Considerado un coeficiente de transmisin trmica del refrigerante de 10000 W/m2K,

(vase Figura 4.22) y una conductividad trmica del molde de 30 W/mK, los errores de

enfriamiento para varios valores de B se indican en la Figura 4.23. Tal y como se intua,

debido a que la distancia del centro del canal a la pieza (C=5mm) es relativamente

pequea con respecto a la distancia entre centros de canales inicialmente propuesta

(Bmin=20mm), el error de enfriamiento es muy elevado (j=555.48%).

Figura 4.21. Perfil de T en la pared de la cavidad del molde. Fuente: [Ref. 14]

Figura 4.22. Coeficiente de transmisin trmica en tuberas (agua a 20C, dc=4mm, Vc=2 l/min). Fuente: [Ref. 10]

Pg. 70 Memoria

Puesto que C no puede incrementarse por limitaciones de espacio, ser necesario que los canales estn ms juntos para que el enfriamiento sea ms uniforme; por tanto, se propone reducir la distancia B. En el apartado 4.5 se validarn mediante simulacin distintas posibilidades.

B j (%) 20 555.48 15 75.05 10 9.82 8 4.75

6.67 3.23 5 2.56

Figura 4.23. Errores de enfriamiento en funcin de B (dc=4mm, C=5mm)

Pg. 71 Memoria

4.5. Clculos de diseo de la refrigeracin mediante simulacin por elementos finitos

4.5.1. Estrategia 1: Diseos

En las siguientes figuras se indican los modelos de diseo propuestos.

Estrategia 1 - Diseo 1a (propuesta inicial)

Figura 4.24. Modelo del diseo 1a (propuesta inicial)

Plano YZ

Plano YX Plano XZ

Pg. 72 Memoria

Estrategia 1 - Diseo 1b

Comentarios:

9 Se ha reducido la distancia entre canales (Bmin) de 20mm (diseo 1a) a 9.4mm, con objeto de que la distribucin de temperaturas en el molde sea ms uniforme.

9 Se ha incrementado la altura de los canales (H) de 24mm (diseo 1a) a 40mm a fin de poder enfriar directamente las zonas ms calientes de la pieza.

Figura 4.25. Modelo del diseo 1b

Plano YZ

Plano YX Plano XZ

Pg. 73 Memoria

Estrategia 1 - Diseo 1c

Comentarios:

9 Se ha incrementado la altura de los canales (H) hasta 50mm.

9 Se ha reducido el dimetro del canal de 4mm a 3mm en el codo superior del circuito, puesto que en esta zona el espacio comprendido entre la pared lateral de la pieza y la rosca interior es mnimo (6.5mm).

Figura 4.26. Modelo del diseo 1c

Plano YZ

Plano YX Plano XZ

Pg. 74 Memoria

Estrategia 1 - Diseo 2

Comentarios:

9 Se ha reducido la distancia entre canales (Bmin) hasta 5mm.

9 El dimetro de los canales es de 3.5mm en las zonas rectas y 3mm en los codos.

Figura 4.27. Modelo del diseo 2

Plano YZ

Plano YX Plano XZ

Pg. 75 Memoria

En la siguiente tabla se indican los parmetros de diseo para los modelos propuestos en las figuras anteriores.

Observaciones:

9 Las distancias entre canales se han medido desde el centro de los mismos.

9 Los ngulos de inclinacin de los canales siguen la conicidad de la pieza, mantenindose constante la distancia del centro del canal a la pared de la pieza (C).

9 Los cambios de seccin son progresivos.

9 La distancia mnima de pared del punzn corresponde a la distancia comprendida entre la pared del canal y la pared del punzn en la seccin ms ancha del mismo (vase Figura 4.9, pgina 54). Debe tenerse en cuenta que estas distancias son muy pequeas, por lo que la resistencia mecnica del punzn puede verse reducida considerablemente.

4.5.2. Estrategia 2: Seleccin del material adecuado

Tal y como ocurre con los aceros para herramientas, existen bastantes tipos de aleaciones base cobre de aplicacin en moldes de inyeccin. Las ms empleadas son las aleciones Cu-Be con un rango de conductividad trmica comprendido entre 65207.6W/mC. El Be confiere mejores propiedades mecnicas al material pero empeora las propiedades trmicas.

Para el caso que nos ocupa, en el que se requieren resistencia mecnica y conductividad trmica elevadas, se ha seleccionado un a aleacin de Cu-Be muy conocida por su nombre comercial: MOLDMAX (97.85% Cu, 1.9% Be, Co+Ni: 0.25%). Las propiedades de este y otros materiales de uso convencional en moldes de inyeccin se indican en la Tabla 4.6.

Tabla 4.5. Parmetros de diseo para los modelos propuestos

Pg. 76 Memoria

Propiedades / Materiales P20 (1.2311) H13

(1.2344) Moldmax (Cu-Be)

Ampco 940 (Cu-Ni)

Densidad (g/cm3) 7.8 7.76 8.36 8.58

Calor especfico (J/KgC) 460 462 360 404

Conductividad trmica(W/mC) 29 29.5 129.7 207.6

Coeficiente expansin trmica (1/C) 1.210-5 1.0410-5 1.710-5 8.210-6

Mdulo elstico (MPa) 200000 200000 131000 131000

Resistencia a traccin (N/mm2) 920-1730 1020-1085 1173-1311 607-689

Dureza 28-51HRc 32-54HRc 30-40 HRc 185-210HB

A pesar de que existen otras aleaciones base Cu de mayor conductividad trmica, como por ejemplo el AMPCO940; el MOLDMAX presenta mayor resistencia mecnica y resistencia al desgaste (dureza) para soportar los esfuerzos a los que est sometido el punzn, siendo su conductividad trmica 4 veces superior a la del acero. As pues, en este caso se considerar que todo el punzn se ha fabricado de este material.

4.5.3. Anlisis comparativo de los diferentes diseos y estrategias

Una vez definidos los modelos, se ha realizado el anlisis de refrigeraciones mediante simulacin, con objeto de averiguar cul de los diseos y estrategias planteados es el ms adecuado. Este anlisis se ha realizado teniendo en cuenta los mismos parmetros de procesado que se consideraron en el anlisis de refrigeraciones del molde actual (apartado 3.4).

El mejor diseo ser aquel con el que se consiga un enfriamiento rpido y uniforme, siempre teniendo en cuenta el incremento de temperatura del refrigerante y las prdidas de carga a lo largo del circuito. Por tanto, los requisitos del circuito ideal sern:

Temperatura d