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Capítulo 1
Análisis funcional de moldes, matrices y cabezales para procesado de polímeros
1. Introducción

En la actualidad, el uso de polímeros o plásticos está muy extendido. Cada vez son más las nuevas utilidades de los modernos materiales en el avance tecnológico de los proyectos más innovadores, como es la aeronáutica. Este avance va ligado a la fabricación de piezas que respondan a las necesidades de estas modernas industrias, en cuanto a su resistencia, peso y durabilidad.

Pese a las grandes ventajas de estos materiales, no se ha generalizado su uso por los diversos problemas de tratamiento, como son los medioambientales, ya que una vez vertidos al medio no se degradan y duran como residuo durante mucho tiempo. Pero esta perdurabilidad, que los hace tan agresivos para el medioambiente, les confiere su gran ventaja, en usos tales como plataformas marinas, estructuras exteriores o recubrimientos para túneles o edificios.

Poder entender el porqué del uso, y conocer todos los aspectos de estos polímeros, desde sus componentes más íntimos hasta cada uno de los procesos a los que son sometidos, proporcionará una gran herramienta para todos aquellos que dediquen su labor profesional a esta rama de la industria.

Para proceder a un exhaustivo análisis de las funciones y de los componentes de los sistemas industriales, se estudiará cada uno de los elementos-componentes, matrices, cabezales, procesos etc., obteniéndose una idea global de la enorme complejidad de los procesos existentes y, a su vez, cada una de sus particularidades, además de unas nociones básicas de ingeniería y de los procesos físicos y químicos que actúan.

2. Tipos de moldes, matrices, cabezales, husillos y otros utillajes

La manipulación de los termoplásticos se lleva a cabo mediante diversos procedimientos. Según sea este proceso, se tomará un tipo de molde, matriz, cabezal y demás utillajes, para la transformación de polímeros.

A continuación, se expondrán el proceso y los complementos necesarios para lograr el manufacturado.

2.1. Procedimiento de elaboración

La enorme variedad de materias primas utilizadas en la industria transformadora de polímeros, así como el producto final, hacen necesario el diseño de diversos procesos de elaboración, aunque básicamente responde al siguiente esquema, en lo que se refiere al polímero:

El material se introduce en un molde donde adquiere la forma de este.

Tomando como base este proceso, surgen nuevas implementaciones, para elaborar las piezas necesarias. Estas se describen a continuación.

Moldeo por inyección

Consiste en un procedimiento en el cual se introduce el polímero en estado líquido, a lo largo de un cilindro, hasta llegar al molde. La presión sobre el polímero caliente fuerza al sistema a llegar al molde frío, donde toma la forma deseada. Dentro de este se solidifica la pieza, y se extrae para comenzar un nuevo proceso.

Además, el dispositivo consta de un sistema de alimentación donde se aloja el material en pequeños fragmentos, y un émbolo encargado de empujar el material hacia la cámara de calefacción, donde se licua por acción del calor, antes de introducirse en el molde.

Actividades

1. Buscar información en internet sobre los tipos de plásticos más usados

Moldeo por extrusión

Es un procedimiento por el cual se forman piezas alargadas longitudinalmente. Este sistema industrial implica una alimentación continua por parte de la matriz (sustancia polimérica), haciéndose fluir a través de una camisa calefactora, hasta un terminal donde, según sea la forma del cabezal, adquirirá el perfil deseado.

El sistema extrusión posee un motor que gira a altas velocidades, y a este, se le adapta un reductor de velocidad, para que el husillo o tornillo gire de forma adecuada al proceso. El movimiento helicoidal del tornillo empuja al material, de manera que atraviesa el cabezal saliendo el material de forma continua y en dirección longitudinal.

Este procedimiento es apropiado para el recubrimiento de cables, de forma que da lugar a un sistema continuo de producción, o si este se interrumpe a uno discontinuo, produciendo pequeños segmentos.

Moldeo por inyección e insuflación de aire

Es un procedimiento por el cual se moldea el polímero quedando totalmente hueco en su interior, el proceso es muy apropiado para la fabricación de botellas, contenedores etc., principalmente de PET (Tereftalato de polietileno).

El mandril es un tubo hueco que se sitúa en el centro del molde. Este está recubierto de material a procesar, con unas pequeñas aberturas. Al insuflar el aire, se infla hasta tocar los bordes del molde.

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2. ¿Por qué es útil el moldeo por insuflación e inyección de aire para la elaboración de botellas

Moldeo por vacío

Se fuerza al material a tomar la forma deseada generando una presión sobre las láminas de polímeros mediante una bomba de vacío. El material toma la forma deseada según sea el molde donde se genere el vacío.

Calandrado

Una calandra consiste en una serie de rodillos, que va prensando el material en un estado semifluido, de forma que va adquiriendo el estado de film o película. Esto da lugar a materiales de longitudes muy altas. El espesor es variable y dependiente de la cantidad de rodillos usados en el proceso. Este proceso es muy utilizado sobre materiales termoplásticos.

En el anterior esquema se observan las siguientes partes:

1 1. Rodillos laminadores. Aplastan la masa fundida proporcionándole forma de lámina.

2 2. Calandra. Es un rodillo similar al anterior pero proporciona la forma definitiva.

3 3. Materia plástica fundida. Se produce la alimentación por efecto de la gravedad.

4 4. Material laminado para su almacenamiento.

Moldeo por compresión

Este procedimiento combina el efecto de la presión y del calor sobre el material plástico, una vez que ya está alojado en el hueco del molde adquiriendo la forma deseada.

Este proceso es apropiado para materiales termorrígidos (una vez que se ha enfriado ya no pueden ser moldeados por acción de calor) que toman la forma en un proceso de enfriado y mantienen la forma por su presión.

El proceso, como se observa, es similar a los anteriores, con la salvedad de una tobera necesaria para añadir nuevas sustancias que faciliten el desmoldeo. El molde, a su vez, consta de dos partes encajadas entre sí. Para finalizar el proceso se eliminan las rebabas con un lijado o mecanizado simple.

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3. Buscar en internet videos que muestren alguno de los procesos anteriores

Termoconformado

Es un procedimiento que es utilizado para moldear los materiales para darles forma de láminas ya prefabricados. Por acción del calor, el material se vuelve maleable, para así poder adquirir la forma definitiva del producto.

El molde consta de un macho y una hembra, que se acoplan durante el proceso para dar forma a la lámina TP (termoplástico). Se sujeta la lámina con unas abrazaderas y, a continuación, se produce el vacío. De este modo, la lámina TP se adapta al molde lo más fielmente posible.

Tres son las variantes principales de este proceso:

1 Conformado a vacío. Se calienta la lámina y se crea un vacío que adhiere la lámina a la pieza.

2 Conformado a presión. Proceso similar pero con la fuerza ejercida externamente.

3 Conformado a moldes adaptados. La lámina calentada se introduce en la parte central del molde y, únicamente por acción de la presión, la lámina toma la forma deseada.

Aplicación práctica

En una fábrica de cableado eléctrico, se produce cable recubierto de plástico, para protegerlo y aislarlo. Para su fabricación se adhiere polímero al cable de cobre mediante dos procedimientos: el primero, de extrusión, y un segundo proceso de moldeo por compresión.

Se observa que el resultado no es aceptable bajo los estándares de calidad de esta empresa, por lo que se le propone que exponga aquellos procedimientos más apropiados con los que mejorar la calidad del producto.

SOLUCIÓN

La extrusión es un proceso apropiado para la generación de grandes cantidades de material en forma laminar. Sin embargo, el moldeo por compresión no es apropiado, porque su uso está enfocado a materiales termorrígidos, y no es el caso del cableado eléctrico, el cual necesita flexibilidad.

Teniendo en cuenta la deficiencia anterior, se propone la siguiente mejora: en lugar de un moldeo por compresión se utiliza un termoconformado, en el que el plástico se adhiere al cable, por acción de la presión y el calor, siendo el más apropiado para materiales termoplásticos.

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4. Citar todos los tipos de procedimientos de procesado que se conozcan

2.2. Tipos de moldes

Un molde es un componente de un proceso de moldeado, es una pieza o conjunto de varias piezas, que tiene una cavidad totalmente hueca. Esta se llena con algún tipo de material polimérico, con el fin de obtener una pieza con una forma deseada.

Dentro de la industria existe una enorme cantidad de moldes, uno por cada tipo de producto a formar. Para poder normalizar y poder especificar cada molde, es necesario establecer una clasificación de cada tipo de molde y poder utilizar esta información en nuevos procesos productivos. Esta clasificación se basa en la colada usada y la expulsión de la pieza, y desmoldeo. Estos parámetros proporcionan la siguiente clasificación:

1 Moldes estándar o de dos placas. Es el molde de uso más generalizado, por su sencillez de diseño y fabricación, y la versatilidad en la fabricación de piezas. Consta de dos placas que se unen entre sí por un sistema mecánico.

2 Molde de mordazas o correderas. Se denominan de esta forma por el sistema de extracción de la pieza, son necesarias piezas móviles o correderas asistidas por algún dispositivo mecánico o hidráulico.

3 Molde de extracción por segmentos. Su denominación es debida al proceso de extracción de la pieza formada. Esta se extrae por segmentos o fases.

4 Molde de placas o de sándwich. Son moldes muy simples, que se forman por la unión de dos piezas sencillas: una está fija o estacionaria, y otra placa es móvil, quedando en el interior el material.

5 Molde de tres placas. Este dispositivo no es más que la implementación del sistema anterior de dos placas, pero añadiéndole una placa central adicional, la cual aísla la matriz de las piezas fijas y móviles.

6 Molde de canal caliente. Es un tipo de molde alimentado mediante un canal de material a altas temperaturas.

Definición

Colada Es el flujo de materia plástica que recorre todo el proceso.

En ocasiones, los moldes de estos tipos son sometidos a tratamientos especiales en su superficie para aumentar su dureza, o la presión que debe resistir, mejorar su desgaste o resistencia a la corrosión. A continuación, se detallan brevemente algunos de ellos.

1 Nitruración: es un proceso muy habitual dentro de la industria, aumenta la dureza del molde, por lo que su principal característica es el aumento de los usos de este.

2 Cementación: transforma la superficie del molde, quedando intacto su núcleo. El molde mejora sus propiedades pero solo es aplicable a moldes de acero.

3 Cromado: se le incorpora una capa de cromo que le proporciona dureza. Es utilizado para matrices abrasivas para el molde.

4 Niquelado: se aportan capas de níquel al molde. Estas capas confieren dureza y resistencia al desgaste químico, aunque por otro lado, esta elevada dureza provoca que se rompan con facilidad.

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5. En ocasiones, los moldes se someten a tratamientos. ¿Cuáles son los objetivos de estos tratamientos

2.3. Tipos de matrices

En la industria del procesado de polímeros, una matriz es un sistema de moldeo formado por un orificio central donde fluye la materia plástica de forma longitudinal, para dar lugar a piezas de un tamaño determinado. Son muy similares a los moldes, pero se distinguen de estos por ser metálicos y generar piezas alargadas de diversas formas. El material toma su forma al atravesar la matriz por completo, mientras que en el molde queda toda la materia retenida.

La matriz en la extrusión es un dispositivo análogo al molde de inyección. A través de la abertura fluye y toma el polímero el perfil deseado. Hay una zona abierta que da al exterior, y otra zona de la matriz próxima al husillo, la cual está sometida a altas presiones. La materia sale por la zona abierta enfriándose rápidamente por acción del aire o por un mecanismo de refrigeración.

Las matrices poseen un perfil que suele ser diferente del perfil deseado del producto final, debido a que los polímeros a la salida de la matriz toman la forma definitiva, donde aparecen procesos de expansión y enfriamiento externos a la matriz.

Existen distintos tipos de matrices, desde las formas más simples hasta complicadas geometrías, pero todas se pueden agrupar en tres grupos:

1 Matrices circulares para tubos.

2 Matrices planas para láminas.

3 Matrices de geometrías diversas para perfiles de formas complejas.

2.4. Tipos de matrices poliméricas

Una matriz polimérica es la sustancia base a partir de la cual se va a formar el producto. Esta va asociada a diversos componentes, los cuales son agregados a la matriz con el fin de mejorar las propiedades en función del uso del producto. Estas pueden ser de los siguientes grupos:

1 1. Matrices poliméricas termoestables: son sustancias formadas por la unión de un enorme número de moléculas, dando lugar a una estructura fuerte y cohesionada. Una vez que han sido formadas no recuperan la plasticidad al calentarlas, debido a la reacción química producida y el cambio en su estructura interna. Son elementos muy tenaces pero a la vez frágiles.

2 2. Matrices poliméricas termoplásticas: son sustancias cuyas moléculas se unen entre sí por fuerzas muy débiles, lo que permite romper sus uniones con un simple calentamiento, es decir, solo son agregados de moléculas con unas uniones o enlaces muy débiles en comparación al otro grupo. Esta propiedad es la que permite distinguir estas matrices de las anteriores, en una propiedad básica, que es que adquieren plasticidad con un simple calentamiento. El proceso de calentamiento puede ser repetido, recuperando su plasticidad indefinidamente. Esta es la propiedad que las hace más interesantes, al permitir su múltiple uso y su reciclaje.

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6. ¿Cuál es la principal diferencia entre un resina termoplástica y una resina termorrígida

2.5. Tipos de cabezales

El extremo de la salida de la matriz se denomina cabezal. En este cabezal se sitúa la boquilla para conferir la forma deseada a la pieza.

Existe una gran diversidad de cabezales de extrusión. El tipo cambia con cada material a utilizar para obtener el material de mejor calidad.

Se pueden agrupar los diversos cabezales en dos grandes conjuntos:

1 Cabezal de araña o flujo axial. En este, el material fluye alrededor de un torpedo o cilindro central, que reparte el material, para que se adhiera a la superficie.

2 Cabezal de alimentación lateral o de flujo radial. El material entra por un lado transversalmente a media altura del molde y el flujo de colada entra a grandes presiones. Este proceso obliga a que el molde posea una geometría cúbica o cilíndrica.

2.6. Tipos de husillos

El husillo es un componente del mecanismo de inyección similar a un tornillo de grandes dimensiones. Su función es la de empujar al material mediante su movimiento helicoidal.

A continuación, se muestra una serie de husillos o tornillos para diferentes extrusoras de plástico. Se usa un tipo de husillo u otro según el tipo de polímero a procesar. Se detalla, también, la forma de cada husillo en función del tipo de polímero o si es necesario una punta que homogenice las posibles partes sólidas de la colada.

2.7. Otros tipos de utillajes

Además de los componentes fundamentales, se debe tratar una serie de utillajes que se desglosan a continuación.

1 1. Tolva. Es la pieza donde se deposita el material inicialmente, este no es más que un contenedor conectado a la maquinaria, para que se alimente continuamente el proceso de fabricado. Por la parte superior se incorpora el material y en su parte inferior una pequeña puerta o trampa, para cortar la introducción de material en el caso que sea necesario.Tolva

2 2. Barril. Es un cilindro hueco con paredes muy fuertes y rígidas, con una gran capacidad para soportar altas temperaturas y presiones, dentro de este va colocado el husillo.

3 3. Plato rompedor. El plato es un pequeño tamiz situado a la salida de la extrusora; su misión es la de eliminar el movimiento helicoidal formado por el husillo, homogeneizar la temperatura y eliminar el material no fundido.

4 4. Sistema de calefacción. Todo dispositivo de fabricación lleva incorporado un mecanismo para suministrar energía al sistema, este suele ser eléctrico, aunque en ciertas industrias la fuente puede ser de otro tipo. Su objetivo es aumentar la temperatura y que el material adquiera sus propiedades plásticas.

5 5. Sistema de refrigeración. Es un sistema de eliminación de energía sobre el sistema, para obtener la pieza a temperaturas próximas al del medio. Es usado cuando las temperaturas son muy altas o no es suficiente con la temperatura del exterior.

6 6. Microprocesador. No es propiamente un utillaje pero se hace necesarios nombrarlo. El microprocesador es el dispositivos digital encargado de que todos procesos se den en el tiempo y en la secuencia apropiada. Este ejecuta el software instalado gestionando las órdenes, el conjunto de válvulas, motores, bombas, etc.

Actividades

7. Buscar imágenes en internet donde aparezcan fotografías reales de los elementos anteriores