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   Proyecto Fin de Carrera ANÁLISIS TEÓRICO-EXPERIMENTAL DE LAS CARGAS DESCENTRADAS EN EL PROCESO DE INYECCIÓN Y SU INFLUENCIA SOBRE LA MÁQUINA Autora Montserrat Lanero Martínez Director Francisco Serraller Sánchez Ingeniería Industrial Escuela de Ingeniería y Arquitectura Zaragoza, Diciembre del 2012        Atodaslaspersonasquemehan apoyadoparallegarhastaaquí                        ANÁLISISTEÓRICO‐EXPERIMENTALDELAS CARGASDESCENTRADASENELPROCESO DEINYECCIÓNYSUINFLUENCIASOBRELA MÁQUINA Resumen El objetivo era analizar el efecto que tienen, sobre las columnas principalmente, la acción de fuerzas descentradas sobre un molde, en una máquina de inyección de plásticos, en las fases de cierre, inyección y compactación. El análisis se realiza tanto desde un punto de vista teórico como experimental. Se ha explicado de qué partes consta y el funcionamiento de la unidad de cierre, así como los factores que influyen en la producción de piezas de plástico y las acciones desequilibradas que se dan durante el proceso de cierre e inyección. En la parte teórica, se han utilizado las herramientas informáticas Moldflow (para la simulación de la inyección) y Pro/Engineer (tanto como herramienta de diseño como para el cálculo estructural). En la parte experimental, se ha utilizado la extensometría (para el análisis de datos adquiridos durante los ensayos). Con Moldflow, se ha simulado el llenado y la compactación de una pieza, para hallar las cargas que afectan a las columnas y los platos de la máquina. Con Pro/Engineer se han dibujado todos los elementos necesarios. Mediante Pro/Mechanica se ha modelado la unidad de cierre a partir de las cargas obtenidas con Moldflow, para obtener los desplazamientos y las tensiones que sufren los componentes de la máquina en los procesos de cierre, inyección y compactación. Se han producido piezas de uno y cuatro llaveros, en una máquina de inyección situada en el T.I.I.P., y se han medido mediante unas galgas extensométricas, el estiramiento de las columnas exteriores de la máquina durante el proceso, con lo que se han obtenido las tensiones sobre dichas columnas. Para la obtención de datos se ha necesitado un amplificador para extensometría DBK43A, un módulo de adquisición de datos Daqbook/100 Series. Con el software Strain Gage Calibration, se ha realizado la calibración de las galgas, y con Daqview, se ha visualizado su comportamiento. Se ha estudiado así, cómo se reparte la fuerza de cierre entre las cuatro columnas externas. También se ha inyectado una pieza con un molde diferente, como contraste con el anterior. Una vez recopilados los resultados de las simulaciones y los ensayos, se ha procedido a su estudio y a la elaboración de las conclusiones, así como a analizar la aplicación de dichas conclusiones industrialmente, para la producción de piezas a otras escalas de fuerza o dimensiones, o bien, para la producción de piezas versionadas.    PáginaÍndice‐1  Índice ParteI–Memoria I. Objeto y alcance del proyecto ................................................................... Página I - 1 II. Introducción ................................................................................................. Página II - 1 II.1. Funcionamiento de la unidad de cierre............................ Página II - 1 II.1.1. Ciclo de inyección .................................................. Página II - 1 II.1.2. Elementos constituyentes principales ................... Página II - 2 II.1.3. Cómo trabajan los constituyentes principales ....... Página II - 3 II.1.4. Otros elementos constituyentes ............................ Página II - 6 II.1.5. Cálculo de la fuerza de cierre ................................ Página II - 6 II.1.6. Generación de la fuerza de cierre ......................... Página II - 7 II.2. El llenado - Acciones desbalanceadas ............................ Página II - 9 II.2.1. Fases del proceso de fabricación de una pieza de plástico en una máquina de inyección ............. Página II - 9 II.2.2. Tensiones en una pieza ........................................ Página II - 9 II.2.3. Sobrecompactación en relación a la máquina ...... Página II - 10 II.2.4. Equilibrado de un molde ........................................ Página II - 10 II.2.5. Enfriamiento de la pieza ........................................ Página II - 10 II.2.6. Colada ................................................................... Página II - 10 III. Aplicación de métodos teóricos ................................................................ Página III - 1 III.1. Simulación del proceso de inyección con Moldflow ........ Página III - 1 III.1.1. Creación del modelo en Pro/Engineer .................. Página III - 1 III.1.2. Simulación de llenado y compactación en Moldflow ................................................................. Página III - 1 III.1.3. Conclusiones ......................................................... Página III - 10 III.2. Modelado mecánico en Pro/Mechanica de las unidades de cierre ...................................................... Página III - 10 III.2.1. Proceso de creación del modelo de la máquina de inyección en Pro/Engineer y simplificaciones realizadas ................................. Página III - 10 III.2.2. Simulación mecánica de la unidad de cierre en Pro/Mechanica .................................................. Página III - 11 III.2.3. Conclusiones ......................................................... Página III - 17 IV. Aplicación del método experimental ......................................................... Página IV - 1 IV.1. Descripción de la técnica ................................................. Página IV - 1 IV.1.1. Principios de la extensometría .............................. Página IV – 2 Índice PáginaÍndice‐2  IV.2. Medidas ........................................................................... Página IV - 2 IV.2.1. Proceso del ensayo experimental ......................... Página IV - 2 IV.2.2. Resultados ............................................................. Página IV - 3 IV.2.3. Conclusiones ......................................................... Página IV - 5 V. Aplicación industrial ................................................................................... Página V – 1 V.1. Simulación de llenado y compactación en Moldflow ....... Página V - 1 V.1.1. Parámetros de estudio .......................................... Página V - 1 V.1.2. Resultados ............................................................. Página V - 3 VI. Conclusiones ............................................................................................... Página VI - 1 VII. Bibliografía y nomenclatura ....................................................................... Página VII - 1 ParteII–Anexos i. Inyección ..................................................................................................... Página i - 1 i.1. Otros elementos constituyentes de la máquina de inyección ..................................................................... Página i - 1 i.1.1. Expulsión ............................................................... Página i - 1 i.1.2. Elementos obligatorios .......................................... Página i - 1 i.1.3. Dispositivos auxiliares necesarios u opcionales ... Página i - 2 i.1.4. Sistemas de seguridad .......................................... Página i - 2 i.2. Factores que influyen en la presión de inyección ............ Página i - 3 i.3. Equilibrado de un molde .................................................. Página i - 4 i.4. Enfriamiento de la pieza .................................................. Página i - 5 i.5. Colada .............................................................................. Página i - 5 ii. Resultados de los métodos teóricos ....................................................... Página ii - 1 ii.1. Resultados de la simulación en Moldflow ........................ Página ii - 1 ii.2. Resultados de la simulación en Pro/mecánica ................ Página ii - 10 iii. Resultados del método experimental ...................................................... Página iii - 1 iii.1. Principios de la extensometría ......................................... Página iii - 1 iii.2. Descripción del proceso de preparación de los dispositivos ............................................................ Página iii - 2 iii.2.1. Colocación del equipo de medida ......................... Página iii - 2 iii.2.2. Preparación de la máquina de inyección y el molde .............................................................. Página iii - 4 iii.2.3. Ensayo ................................................................... Página iii – 5 Índice PáginaÍndice‐3  iii.3. Resultados ....................................................................... Página iii - 6 iii.3.1. Cálculo de las fuerzas que sufren las columnas .......................................................... Página iii - 6 iii.3.2. Fuerzas de cierre obtenidas en los ensayos ......... Página iii - 9 iv. Resultados de la aplicación industrial ..................................................... Página iv - 1 v. Hoja de características de la máquina de inyección del TIIP ................ Página v - 1 vi. Hoja de características de las galgas extensométricas ......................... Página vi - 1 II‐Introducción  PáginaII‐2  II.1.2.Elementosconstituyentesprincipales Figura II.2. Elementos principales de la máquina de inyección1 Dispositivo apertura/cierre Mecánico (de rodillera simple o doble), hidráulico o mixto. Plato fijo Debe cuidarse en su diseño y robustez, dado que están sometidos a fatiga. El plato fijo es la referencia principal de la máquina. Plato móvil Debe cuidarse también su rigidez, ya que las deformaciones elásticas que puede sufrir pueden llegar a originar rebabas, por holguras en la zona central del molde acoplado. El sistema de expulsión va unido a él. Plato posterior Debe cuidarse en su diseño y robustez, dado que están sometidos a fatiga. Columnas Son pasantes, hacen de guía y equilibran. Sujetas por tuerca (normalmente cónica) al plato fijo y al posterior, no solidarias al plato móvil (son las guías del mismo). El plato fijo es solidario a la bancada de la máquina, el móvil está colgado de las columnas, el plato posterior está apoyado en una superficie de la bancada. Sufren estiramiento durante la aplicación de la fuerza de cierre y contrarrestan el empuje ejercido por el material que llena la cavidad del molde. Trabajan principalmente a tracción (a compresión cuando se abre el molde). Deben ser rígidas y su diámetro es el parámetro vital en su diseño. Tabla II.1. Componentes de la máquina de inyección   1 Todos los platos del grupo de cierre tienen que ser perfectamente paralelos, y los elementos de unión (las columnas) tienen que ser perfectamente perpendiculares a ellos, las tolerancias de fabricación han de ser pequeñas. II‐Introducción PáginaII‐3  II.1.3.Cómotrabajanlosconstituyentesprincipales Figura II.3. Fuerza de cierre a través de la máquina de inyección La máquina consta de una pared o plato fijo, que actúa como referencia de cota cero, ya que está atornillada a la bancada. Soporta las inercias (transmitiéndolas a la bancada), las acciones de cierre que van a las columnas y las acciones del grupo de plastificación que va fijado al plato fijo. Las dos mitades del molde se mantienen cerradas gracias al plato móvil de la máquina. Una parte del molde va amarrada al plato fijo, y la otra parte al plato móvil. Las encargadas de evitar que los platos se muevan y de aguantar la fuerza, son las columnas. Las columnas tienen un estiramiento, debido a la fuerza de cierre. Si en algún momento, en los patines de los platos se introduce otra acción diferente del estiramiento de las columnas, debido a que los platos no estén perfectamente paralelos, se pueden producir flexiones dañinas que pueden derivar en roturas. En el cierre hidráulico, el origen de la fuerza de cierre se encuentra un pistón fijado al plato móvil, el vástago del pistón empuja al plato móvil, sobre el que está montada una mitad del molde, hacia la otra mitad (sujeta al plato fijo). LeydeHooke Todos los elementos de la máquina de inyección se pueden considerar elásticos. La Ley de Hooke establece que el alargamiento unitario que experimenta un material elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada, :   ∙ Ecuación II.1. Donde  es la variación que experimenta la longitud o alargamiento,  es la longitud del resorte,  es el módulo de Young del material del resorte y  representa el área transversal ( 2.1∙10 ): ∙ Ecuación II.2. Representando  el radio del resorte. II‐Introducción  PáginaII‐4  Otra forma de representar la Ley de Hooke es mediante la ecuación del muelle, donde se relaciona la fuerza ejercida sobre el resorte con el alargamiento producido: ∙ Ecuación II.3. Donde  es la constante elástica o rigidez del resorte. Todos los elementos de la máquina siguen la ley de los muelles. Si el sistema está equilibrado, la fuerza del material sobre el molde se contrarresta por la fuerza de cierre, evitando que éste se abra y se fugue el material plástico. El caso ideal es que todas las columnas funcionen por igual y la fuerza de cierre se reparta entre las cuatro, recibiendo cada una  . La inyección y la fuerza de cierre son las responsables del alargamiento de las columnas. CriteriodeRigidezoElasticidad Si el estiramiento de la columna es: ∑ Ecuación II.4. En una columna:    ∙ Ecuación II.5. ∙  Ecuación II.6. A continuación se va a proceder a calcular la rigidez de los componentes de la máquina de inyección a los que se le transmiten las fuerzas. Elemento 󰇛󰇜 󰇛󰇜 󰇛󰇜 󰇛󰇜 Á󰇛󰇜 Columnas externas 932 60 - - 2827.43 Columnas internas 380 30 - - 706.86 Amarre (fijo y móvil) 22 - 260 210 54600 Regle 52 - 260 26 6760 Sufridera y pared del molde (fija y móvil) 27 - 260 175 45500 Tabla II.2. Longitud, diámetro, alto, ancho y área de componentes de la máquina. Para las columnas externas de la máquina:    ∙  ∙ Ecuación II.7. Sustituyendo los valores de  para la máquina del T.I.I.P. que se ha utilizado:  2.1∙10∙2827.43 932  0.637082   2.1∙10∙706.86 380  0.390632  II‐Introducción PáginaII‐5  Y para el molde:    ó  ∙    ó     Ecuación II.8. Sustituyendo los valores de  para el molde del T.I.I.P. que se ha utilizado: ó 2.1∙10∙54600 22  521.18     2.1∙10∙6760 52 27.3   2.1∙10∙45500 27  353.89   ó   Es decir,   0.968616   y   32.648064  , el molde es mucho más rígido que las columnas. Por construcción, los moldes se fabrican para que su rigidez sea mucho mayor que la de las columnas, de modo que haya un coeficiente de seguridad muy alto. La relación entre las rigideces de estos componentes es de 33.71 para el molde frente a 1 para las columnas. CriteriodeResistencia Debemos introducir un coeficiente de seguridad:     Ecuación II.9. En una representación de la fuerza de cierre frente al desplazamiento que sufren las columnas y el molde, la intersección entre la recta correspondiente al alargamiento de la columna y la correspondiente al acortamiento del molde da lugar al punto de cierre del molde, a la derecha del cual se produce el estiramiento del molde (lo cual no es posible), o bien, éste se abre, lo que da lugar a fugas del material2. En las máquinas de inyección hidráulicas, la fuerza de cierre se consigue metiendo presión hidráulica y bloqueando la misma mediante un cierre hidráulico. El molde es muy rígido, lo cual impide que se transmita gran parte de la fuerza de cierre a las columnas.   2En las máquinas hidráulicas hay válvulas de seguridad, que en el momento que se supera la presión de seguridad en el circuito hidráulico, hacen que el cilindro de cierre retroceda y como consecuencia se abre el molde. II‐Introducción  PáginaII‐6  Figura II.4. Fuerza de cierre frente al desplazamiento sufrido por las columnas en las máquinas hidráulicas Siendo: tan   Ecuación II.10. tan   Ecuación II.11. II.1.4.Otroselementosconstituyentes  Expulsión -Extracción mecánica -Extracción hidráulica  Elementos obligatorios  Dispositivos auxiliares necesarios u opcionales • Sistemas de seguridad -Protección personal -Protección del molde Para una explicación más detallada de estos elementos, consultar el anexo i - Inyección. II.1.5.Cálculodelafuerzadecierre La fuerza de cierre de la máquina de inyección se puede obtener mediante: a) Simulación, por medio del cálculo por elementos finitos b) Métodos estimativos, utilizando la siguiente fórmula:  ∙  Ecuación II.12. II‐Introducción PáginaII‐7  Factores que sí tiene en cuenta Factores que no tiene en cuenta Longitud Material Exacto Espesor Diseño de Molde Material Parámetros de Inyección Área Proyectada Al inyectar una caja o un cubo con unas dimensiones y con un espesor, es necesario calcular el área proyectada, la longitud máxima de flujo. A través del espesor, el tipo de material y la longitud máxima de flujo, se puede determinar la presión media, y con ella la fuerza de cierre si se considera un factor de seguridad 1.5.  A mayores presiones  Mayores fuerzas de cierre  En líneas generales, los mayores valores de presión se alcanzan al finalizar la fase de llenado, no en la compactación.  Sin embargo las mayores fuerzas de cierre se alcanzan en la fase de compactación, aunque los valores de presión en la pieza sean menores.     ∙     ∙  Ecuación II.13. En el llenado, se obtienen valores de presión altos. La presión de la pieza no está repartida homogéneamente, existiendo zonas de presión nula. En el caso de la compactación, el valor de presión en la pieza baja, pero es un valor relativamente alto repartido en la totalidad de la pieza. El sumatorio de presión en toda la superficie proyectada de la pieza, que da lugar a la fuerza de cierre necesaria, es mayor, mientras que el sumatorio de presiones en el llenado es menor, y por lo tanto da lugar a una fuerza de cierre menor (la presión media es menor que en compactación). II.1.6.Generacióndelafuerzadecierre Algunos sistemas de generación de fuerza de cierre para máquinas de inyección son: Rodillera simple Rodillera doble 4 puntos Figura II.5. Tipos de sistemas de cierre II‐Introducción  PáginaII‐8  Diferentes sistemas hidráulicos Rodillera doble 5 puntos Figura II.5. Tipos de sistemas de cierre Otros sistemas: mixto, sin columnas, de revolver, de disco, de dos platos. Cuando la fuerza de cierre no está centrada, los platos pierden el paralelismo y, al abrir y cerrar, obligan a las columnas a flectar, haciéndolas trabajar de una manera para la que no están diseñadas. Aunque es más importante el desequilibrio debido a la carga, que puede derivar en que una columna no se lleve ¼ de la fuerza de cierre, sino mucho más. Se puede producir fatiga por la carga y descarga de las columnas (trabajan principalmente a tracción y a compresión cuando se abre el molde, en la tracción las grietas tienden a abrirse). Figura II.6. Comparación entre columna sin flectar y columna deformada Sistemashidráulicos La máquina que se va a utilizar funciona con un sistema de cierre hidráulico. En ocasiones supone una gran cantidad de litros de aceite a mover, además de ser un sistema con grandes carreras de apertura (máquinas que ocupan mucho espacio). Se deben diseñar el cilindro y el pistón de una longitud adecuada. La fuerza de cierre se aplica directamente desde el pistón, por lo que su cálculo es sencillo. Se puede mejorar el sistema colocando cilindros auxiliares, para conseguir mayor rendimiento de potencia, y mejores velocidades. En este caso es mayor el volumen de aceite a mover, y existe mayor riesgo de fugas de aceite. Existen también máquinas con cierres eléctricos para que no exista el problema de las fugas. II‐Introducción PáginaII‐9  II.2.Elllenado‐Accionesdesbalanceadas[7] Durante la fabricación de una pieza por el proceso de inyección se han de estudiar una serie de factores que influyen en la optimización de dicho proceso. Se ha de analizar rigurosamente el diseño de la pieza y del molde necesario para inyectarla, el objetivo es conseguir la mejor calidad posible con el menor coste. Una relación de factores que influyen en la presión de inyección, así como una ampliación teórica sobre el equilibrado del molde, el enfriamiento de la pieza y la colada, se puede encontrar en el anexo i – Inyección. II.2.1.Fasesdelprocesodefabricacióndeunapiezadeplásticoen unamáquinadeinyección 1. Llenado 2. Presurización: El plástico es un material muy compresible. Durante el llenado, la cavidad puede llenarse del 95 % al 100 % y, posteriormente, se aplica presión para forzar al plástico a llenar completamente la cavidad. 3. Compensación: Se compensa la contracción del material mientras éste está en estado líquido.  Figura II.7. Fases del moldeo por inyección II.2.2.Tensionesenunapieza Antes de la inyección debe haberse definido la calidad de la pieza. Se busca una mínima tensión residual. Generalmente, las piezas que están sometidas a una compactación alta durante un periodo de tiempo corto sufren menos tensión que aquellas con una compactación menor durante un periodo de tiempo más largo. La principal causa de tensión en las piezas de plástico es la combinación del fluir del material y de su contracción al mismo tiempo, lo cual ocurre en la fase de compensación. La sobrecompactación es la causa más común de alabeo en las piezas y está provocada por el enfriamiento a alta presión de zonas de las piezas donde el flujo se ha detenido durante el llenado. El flujo desequilibrado da lugar a la sobrecompactación, y II‐Introducción  PáginaII‐10  por tanto al alabeo, tanto en moldes de una figura, como en moldes multicavidad, o en moldes con familias de cavidades. El flujo llenará siempre primero por el camino que le sea más fácil de atravesar (las zonas menos estrechas), y cuando una región está llena, ésta se compacta mientras el material alcanza otras áreas. Es decir, hay regiones de un molde que se sobrecompactan mientras el resto se termina de llenar. Este proceso causa mucha tensión . II.2.3.Sobrecompactaciónenrelaciónalamáquina Cuando el llenado es simétrico, no aparecen desequilibrios en cuanto a la fuerza de cierre. Una condición necesaria para que el llenado sea simétrico es que el molde sea simétrico. Si el llenado no es simétrico, aparece sobrecompactación en las zonas que primero se llenan, es decir, estas zonas sufren más presión. La sobrecompactación provoca el desequilibrio respecto a las acciones en las columnas, ya sea por que el molde no es simétrico, o porque el molde no llena de forma simétrica, o a una fabricación defectuosa del molde, moldes multiunidad, etc., en definitiva, porque el molde a su vez está desequilibrado. Un molde desequilibrado da lugar a una resultante de acciones que no está centrada respecto al centro de la máquina (columnas, bebedero…), luego se generan momentos, si la resultante de fuerzas estuviera en el centro no se generarían momentos. II.2.4.Equilibradodeunmolde Todo el molde debería llenar al mismo tiempo y a la misma presión. Para moldes multicavidad, esto significa que cada una de las cavidades debería llenar al mismo tiempo. Sucede lo mismo con las partes internas o extremo de una sola cavidad. En realidad, el tiempo de inyección es generalmente el factor limitante del equilibrado. Lo ideal es que la sección a atravesar sea lo más grande posible y longitudinalmente lo más corta posible. II.2.5.Enfriamientodelapieza El enfriamiento del material comienza a la vez que el llenado. Respecto al enfriamiento, interesa que las piezas sean lo más uniformes posible en cuanto al espesor, además, cuanto más delgadas sean antes se enfriarán. II.2.6.Colada Los canales de alimentación están diseñados para que cada posición del molde llene al mismo tiempo y presión. Cuando la colada se usa para equilibrar el flujo, la presión total en la colada que se introduce para el equilibrado y la caída de presión en la cavidad deben ser iguales. Si se cambia el sistema de colada, se alterará la caída de presión en la cavidad. Cuanto más uniforme sea el equilibrio entre cavidades, mejor será la calidad de las piezas y más sencillo será el proceso. Para una mayor presión de equilibrado se requiere menor diámetro del canal. PáginaIII‐1  III–Aplicacióndemétodosteóricos  Mediante el software Moldflow, se simula el llenado y la compactación de una pieza, para hallar las cargas que afectan a las columnas y los platos de la máquina. Con el software Pro/Engineer, mediante la herramienta Pro/Mechanica, se modela la unidad de cierre a partir de las cargas obtenidas con Moldflow, para obtener los desplazamientos y las tensiones que sufren los componentes de la máquina en los procesos de cierre, inyección y compactación. III.1.SimulacióndelascargasenMoldflow III.1.1.CreacióndelmodeloenPro/Engineer La modelización de la pieza, consiste en dibujar en Pro/Engineer cada una de sus partes y posteriormente trasladar el modelo obtenido a Moldflow para realizar la simulación del llenado y compactación de dicha pieza. Para obtener un modelo en Pro/Engineer, se parte de las dimensiones de la pieza que se quiere obtener. Se dibuja de la forma más simplificada posible. Para la pieza que se va a estudiar, y que se inyecta en el T.I.I.P., se obtiene la siguiente geometría: Figura III.1. Pieza obtenida en Pro/Engineer  III.1.2.SimulacióndellenadoycompactaciónenMoldflow Una vez obtenida la geometría, se exporta en formato *.igs al programa de simulación Moldflow. En este caso se trabaja en Dual Domain, una forma cálculo aproximado que permite obtener resultados válidos para la pieza que nos ocupa. Se diseñan los canales de entrada. Los canales dibujados, están compuestos de cámara caliente y de entrada. La cámara caliente hace que el plástico fundido no se enfríe en el recorrido que le lleva desde la boquilla del husillo hasta la cavidad del molde. La geometría de la pieza, una vez diseñados los canales de entrada y hecho el mallado, con un tamaño de malla que permita reproducir fielmente la pieza a la vez que obtener resultados más ajustados (aproximadamente un tamaño de triángulos de 2.5mm), tiene el siguiente aspecto:   III‐Aplicacióndemétodosteóricos  PáginaIII‐8  Presión al final del llenado para 4 figuras Presión al final del llenado para 1 figura 30 Bar de compactación 27 Bar de compactación 22 Bar de compactación 20 Bar de compactación 15 Bar de compactación 15 Bar de compactación Tabla III.5. Resultado en Moldflow de presión al final del llenado para cada uno de los casos III‐Aplicacióndemétodosteóricos  PáginaIII‐9  Presión en diferentes puntos para 4 figuras Presión en diferentes puntos para 1 figura 30 Bar de compactación 27 Bar de compactación 22 Bar de compactación 20 Bar de compactación 15 Bar de compactación 15 Bar de compactación Tabla III.6. Resultado en Moldflow de presión en diferentes puntos para cada uno de los casos   III‐Aplicacióndemétodosteóricos  PáginaIII‐10  III.1.3.Conclusiones En la representación de la fuerza de cierre frente al tiempo de la tabla III.1.,se observa claramente, cómo desciende su valor conforme desciende la presión aplicada en la compactación, tanto para el caso de las cuatro figuras como para el caso de una figura. La fuerza de cierre en el caso de cuatro figuras es mayor que para una figura. Para las condiciones de inyección que nos ocupan y el tipo de piezas de las que disponemos, la compactación es la fase que da lugar a la máxima fuerza de cierre y, el centroide de fuerzas (tabla III.2.) se encuentra en la misma posición para los tres casos de cuatro figuras y para los tres casos de una figura. En la representación de la presión en diferentes puntos de la pieza (tabla III.6.), las diferencias entre los distintos puntos se deben a que unas zonas enfrían antes que otras (la presión cae por enfriamiento), interesa que las presiones sean lo más uniformes posibles. III.2.ModeladomecánicoenPro/Mechanicadelasunidadesde cierre III.2.1.Procesodecreacióndelmodelodelamáquinainyecciónen Pro/Engineerysimplificacionesrealizadas Una vez analizada la transmisión de fuerzas a lo largo de la máquina de inyección Mateu&Solé 55Tm del T.I.I.P., y cómo se ven afectadas las partes de las que consta, se deducen las que más sufren durante la inyección de una pieza y éstas son las que forman parte de un primer modelo a simular en Pro/Mechanica. Se prescinden de partes intermedias que únicamente transmiten las fuerzas de un punto a otro de la máquina, pero realmente no influyen apreciablemente en el resultado que se desea observar en las columnas exteriores de la máquina. Se seleccionan las piezas cuya rigidez es más relevante. Se reduce el número de elementos sustituyendo las piezas geométricamente complicadas (demasiado detalladas, con diámetros y redondeos pequeños), a fin de evitar fallos del programa, por otras sencillas pero estructuralmente equivalentes y de rigidez idéntica a las originales, y se resuelven los problemas de piezas cercanas pero no tangentes ampliando la distancia entre ellas procurando que afecte en lo mínimo a los cálculos. La diferencia entre tener en cuenta todas las piezas que intervienen en la unidad de cierre y tener en cuenta las más relevantes es mínima, por lo que en el modelo para el análisis sólo se va a considerar como piezas de cierre los siguientes elementos ensamblados: III–Aplicacióndemétodosteóricos  PáginaIII‐11  Figura III.3. Máquina de inyección de 55 Tm MATEU&SOLÉ  Un conjunto que representa los extremos de la máquina -el plato de cierre -el plato de inyección con el amarre y la mitad del molde correspondiente -las cuatro columnas exteriores  Un conjunto que representa las partes móviles de la máquina -el plato intermedio -el plato móvil con el amarre, el regle y la mitad del molde correspondiente -las cuatro columnas intermedias Para poder visualizar cada una de las piezas dibujadas en Pro/Engineer, consultar el anexo ii – Resultados de los métodos teóricos. Para realizar el modelo se han extraído las dimensiones necesarias de la hoja de características de la propia máquina o se han medido directamente con ayuda de metro y pie de rey. Las piezas a producir en la máquina, tienen un espesor muy pequeño (el mayor que se da en estas piezas es de 2.5 mm), luego se va a considerar una superficie en las paredes del molde, resultado de considerar la pieza proyectada sobre dichas paredes, en la que se aplican las fuerzas o presiones pertinentes, en lugar de hacer cavidades en las paredes del molde. III.2.2.Simulaciónmecánicadelaunidaddecierreen Pro/Mechanica Descripcióndelascondicionesdecontorno  Desplazamiento nulo en cualquier dirección en la pared del plato de cierre (en un círculo de 200 mm de diámetro)  Desplazamiento nulo en la dirección vertical para una esquina inferior del plato de cierre  El material asignado para las partes de la máquina es el acero (en la realidad este material es una combinación de acero y bromo o acero y cromo, que ofrece alta resistencia a la vez que cierta elasticidad)   III‐Aplicacióndemétodosteóricos  PáginaIII‐12  Figura III.4. Máquina de inyección sometida a las condiciones de contorno, vista desde el plato fijo Definicióndeloscasos 1. Ensayo de cierre en vacío Se aplica la fuerza de cierre directamente sobre una superficie en forma de corona circular, en el plato de cierre, que representa la transmisión de la fuerza de cierre que hace el cilindro acoplado a dicho plato. El valor de esta fuerza es de: 55 ∙9.8   ∙1000    539000. Se aplica la misma fuerza de cierre sobre una superficie circular, en el plato intermedio, como representación de la fuerza que transmite el cilindro acoplado a él. Figura III.5. Máquina de inyección sometida a las condiciones del ensayo en vacío III–Aplicacióndemétodosteóricos  PáginaIII‐13  2. Ensayo de cierre e inyección, a 27 Bar de presión, para una figura: Transmisión de la fuerza de cierre igual al caso anterior. Esta vez la presión (27 Bar) se aplica sobre la superficie correspondiente a un llavero. Figura III.6. Máquina de inyección sometida a las condiciones del ensayo de cierre e inyección a 27 Bar, para una figura Figura III.7. Máquina de inyección sometida a las condiciones del ensayo de cierre e inyección a 27 Bar, para una figura, vista desde el plato fijo Figura III.8. Máquina de inyección sometida a las condiciones del ensayo de cierre e inyección a 27 Bar, relativas al plato móvil (izquierda) y relativas al plato de cierre (derecha), para una figura, vista desde el plato de cierre   III‐Aplicacióndemétodosteóricos  PáginaIII‐14  3. Ensayo de cierre e inyección a 37 Bar de presión para cuatro figuras: A parte de la transmisión de la fuerza de cierre al plato de cierre y al plato intermedio, se tiene en cuenta la presión que ejerce el material sobre la superficie correspondiente a los llaveros (37 Bar), en las paredes del molde. Figura III.9. Máquina de inyección sometida a las condiciones del ensayo de cierre e inyección a 37 Bar, para cuatro figuras Figura III.10. Máquina de inyección sometida a las condiciones del ensayo de cierre e inyección a 37 Bar, para cuatro figuras, vista desde el plato fijo III–Aplicacióndemétodosteóricos  PáginaIII‐15  Resultados Desplazamientos (mm)  Ensayo en vacío Desplazamiento máximo: 4.9549E-01 mm  Ensayo con 1 figura Desplazamiento máximo: 4.956E-01 mm   Ensayo con 4 figuras Desplazamiento máximo: 4.9562E-01 mm  Tabla III.7. Resultado en Pro/Mechanica de desplazamientos para cada uno de los casos   III‐Aplicacióndemétodosteóricos  PáginaIII‐16  Tensiones (MPa)  Ensayo en vacío Tensión máxima: 586.510 MPa   Ensayo con 1 figura Tensión máxima: 695.139 MPa   Ensayo con 4 figuras Tensión máxima: 614.166 MPa  Tabla III.8. Resultado en Pro/Mechanica de tensiones de Von Mises para cada uno de los casos III–Aplicacióndemétodosteóricos  PáginaIII‐17  III.1.3.Conclusiones Se observa, en la tabla III.8., que las columnas del platillo son las que realmente sufren más esfuerzos, en comparación con las columnas de los platos, que están muy sobredimensionadas. Las columnas pequeñas sufren compresión, y las grandes apenas sufren tracción. El área transversal de estas columnas es la que determina la tensión que sufren, la rigidez de las columnas externas es mayor, y a pesar de llevarse la misma fuerza de cierre, se alargan menos de lo que se acortan las columnas internas. La hidráulica del sistema lo compensa para que se equilibre, es decir, el cilindro sale lo que se acortan las columnas internas, lo que se alargan las grandes y lo que se comprime el molde. Debido a la diferencia de rigidez entre molde y columnas, el reparto de fuerza de inyección entre ellos es tal, que apenas un porcentaje mínimo de esta fuerza va a parar a las columnas. El molde es muy rígido, con lo que apenas se aprecian tensiones en él. El ensayo también da valores muy pequeños de variación en la geometría de las columnas exteriores (tabla III.7.), debido a lo grandes y rígidas que son para el valor de fuerza que se utiliza.    PáginaV‐1  V–Aplicaciónindustrial Para poder observar cómo se comporta la máquina a otras escalas, se ha querido hacer el mismo análisis teórico que con el molde de los llaveros, pero para el molde correspondiente a una tapa de contenedor de basura de 1100 l. El objetivo era comparar el caso de la tapa con una modificación y sin ella. Sólo se ha podido realizar la simulación en Moldflow, y se aprecia que para obtener piezas con cualidades similares hay que aplicar condiciones diferentes. V.1.SimulacióndellenadoycompactaciónenMoldflow Se ha realizado la simulación correspondiente a la inyección de una tapa de contenedor de 1100 l de Contenur. Se quiere hacer una modificación sobre esta tapa, una abertura en la parte frontal. El objetivo es analizar cómo afecta a la inyección esta modificación de la geometría original. Una vez obtenida la geometría, se exporta en formato *.igs al programa de simulación Moldflow. Este programa, trabaja con superficies sin espesor, en este caso se trabaja en Dual Domain. Se diseñan los canales de entrada. Los canales dibujados, están compuestos de cámara caliente y de entrada. La geometría de la pieza, una vez diseñados los canales de entrada y hecho el mallado, con un tamaño de malla que permita reproducir fielmente la pieza a la vez que obtener resultados más ajustados (aproximadamente un tamaño de triángulos de 60 mm), tiene el siguiente aspecto:  Figura V.1. Geometría de pieza obtenida en Moldflow para la inyección de tapa sin abertura Figura V.2. Geometría de pieza obtenida en Moldflow para la inyección de tapa con abertura  V.1.1.Parámetrosdeestudio Se definen los casos en Moldflow. Para ello se introducen los parámetros de la máquina correspondientes. Se van a analizar dos casos, la inyección de la tapa sin abertura y la inyección de la tapa con abertura. La fuerza de cierre que se aplica es la máxima de la máquina (2600 Tm), la necesaria para que no se abra el molde. No se disponen de los datos exactos con los que se inyecta la tapa sin abertura, de modo que se introducen unos parámetros con los V–Aplicaciónindustrial PáginaV‐2  que se pueda analizar el problema, y que den lugar a el resultado deseado para cada pieza. El material utilizado es Eraclene MM74: Polimeri Europa, se encuentra a 260 ºC. Ésta es una pieza gruesa que se inyecta con una programación diferente a la pieza de los llaveros. Las diferentes condiciones de inyección empleadas para cada uno de los casos son las siguientes: Condicionesinyeccióntapasinabertura: -El tiempo de llenado es 40 s. -Volumen de llenado al 90 %. -La velocidad y la compactación se programan del siguiente modo: Figura V.3. Perfil de velocidad Figura V.4. Perfil de compactación Condicionesinyeccióntapaconabertura: -El tiempo de llenado es 40 s. -Volumen de llenado al 90 %. -La velocidad y la compactación se programan del siguiente modo: Figura V.3. Perfil de velocidad (izquierda), perfil de compactación (derecha)  V–Aplicaciónindustrial PáginaV‐3  V.1.2.Resultados Los resultados obtenidos de la simulación en Moldflow son los siguientes: -Distribución del llenado en diferentes momentos -Presión en el punto de cambio de fase -Presión en el punto de inyección -Presión máxima -Distribución de presiones -Evolución de la presión, en los nodos más representativos -Distribución de las temperaturas al final del llenado -Evolución de la temperatura promedio, en los nodos más representativos -Fuerza de cierre a lo largo del ciclo -Centroide de la fuerza de cierre -Líneas de soldadura -Contracción volumétrica -Alabeo De cara a este proyecto se van a analizar los resultados correspondientes a las presiones y la fuerza de cierre. El resto de los resultados pueden observarse en el Anexo correspondiente a Aplicación Industrial.1 A continuación se presentan los resultados principales obtenidos con Moldflow: Fuerza de cierre para tapa sin abertura Fuerza de cierre para tapa con abertura Tabla V.1. Resultado en Moldflow de fuerza de cierre para cada uno de los casos   1Aunqueenunprincipiosepretendíarealizarunanálisissimilaraldelapiezadecuatrofiguras,lafaltade datosnecesarioshahechoquesólosepudierarealizarestasimulaciónenMoldflow,nopudiendorealizarla simulaciónenPro/Mechanica. V–Aplicaciónindustrial PáginaV‐4  Centroide de la fuerza de cierre para tapa sin abertura Centroide de la fuerza de cierre para tapa con abertura Tabla V.2. Resultado en Moldflow del centroide de la fuerza de cierre para cada uno de los casos Presión en el punto de inyección para tapa sin abertura Presión en el punto de inyección para tapa con abertura Tabla V.3. Resultado en Moldflow de presión en el punto de inyección para cada uno de los casos V–Aplicaciónindustrial PáginaV‐5  Presión en el punto de cambio para tapa sin abertura Presión en el punto de cambio para tapa con abertura Tabla V.4. Resultado en Moldflow de presión en el punto de cambio para cada uno de los casos Presión al final del llenado para tapa sin abertura Presión al final del llenado para tapa con abertura Tabla V.5. Resultado en Moldflow de presión al final del llenado para cada uno de los casos V–Aplicaciónindustrial PáginaV‐6  Presión en diferentes puntos para tapa sin abertura Presión en diferentes puntos para tapa con abertura Tabla V.6. Resultado en Moldflow de presión en diferentes puntos para cada uno de los casos PáginaVI‐1  VI–Conclusiones A lo largo del desarrollo de este proyecto se han ido obteniendo las siguientes conclusiones:  Mediante extensometría no se puede apreciar el proceso de inyección debido a la gran diferencia entre la rigidez del molde y la de las columnas, de forma que una gran parte de la fuerza generada durante la inyección se contrarresta con el molde en una relación 33.7 al molde frente 1 a las columnas.  Como consecuencia de lo anterior, no se pueden observar los efectos de la inyección sobre el cierre mediante los métodos experimentales utilizados, solo se pueden observar por métodos teóricos.  Por otro lado, la extensometría permite ver, el reparto de la fuerza de cierre entre las diferentes columnas, debido a la falta de un cierre homogéneo y uniforme entre ambas mitades del molde.  El descentramiento de las acciones debidas a la inyección, solo puede ser determinado por simulación.  Durante la realización del proyecto he aprendido a utilizar distintos dispositivos y programas, entre ellos:  Pro/Engineer y su aplicación de Pro/Mechanica (Creo 1.0)  Autodesk Moldflow Synergy 2012  Strain Gage Calibration  Daqview  También he adquirido conocimientos acerca de cómo son y cuál es el funcionamiento de las máquinas de inyección de plásticos, los factores a analizar en la producción de las piezas y los problemas asociados a la inyección tanto en el producto resultante como en la máquina. Camposdenuevosdesarrollos:  Desarrollar un molde calibre, con el cual, mediante extensometría, se pueda asegurar la planitud entre las paredes de la máquina.  Introducir un molde, de rigidez similar a las columnas, para poder analizar el reparto de acciones sobre ellas, incluidas las debidas al proceso de inyección, mediante extensomentría.  Realizar ensayos con máquinas con otros tipos de cierres.   VII‐1  VII‐Bibliografíaynomenclatura Bibliografía [1] http://usa.autodesk.com/moldflow/  fecha de consulta: Junio del 2012 [2] http://es.ptc.com/product/creo/parametric  fecha de consulta: Mayo del 2012 [3] http://www.tiip.unizar.es/  fecha de consulta: Abril del 2012 [4] http://www.cad-cae.com/strain_gages.html  fecha de consulta: Junio del 2012 [5] http://www.mccdaq.com/products/daqview.htm  fecha de consulta: Junio del 2012 [6] Curso de Formación en Inyección 2012 – La Inyección desde el punto de vista de la máquina, en el TIIP, Área de Ingeniería Mecánica de la Escuela de Ingeniería y Arquitectura (EINA), Universidad de Zaragoza [7] Jay Shoemaker, Editor (2006). Moldflow Design Guide: A Resource for Plastics Engineers. Cincinnati: Hanser Gardner Publications. [8] http://www.mateusole.net/castellano/web/default.asp  fecha de consulta: Mayo del 2012 [9] http://www.kyowa-ei.co.jp/eng  fecha de consulta: Junio del 2012 Nomenclatura Letras latinas:  Área transversal del material elástico ()   Área proyectada () Anchura () Módulo de Young del material elástico () Fuerza aplicada a un material elástico ()  Factor de seguridad (adimensional)  Fuerza de cierre de la máquina de inyección ()