En la industria del plástico, el punto de inyección del material —comúnmente llamado compuerta— es crucial para determinar el desempeño de la pieza.
Características funcionales como planicidad, circularidad, estabilidad dimensional, tensiones internas en el molde, entre otras, pueden mejorar o empeorar simplemente al cambiar la ubicación de la compuerta. Las condiciones de procesamiento también pueden verse severamente afectadas por el punto de inyección, permitiendo balancear la trayectoria de llenado o extender el tiempo de empacado, por ejemplo. Finalmente, la ubicación de la compuerta también influye en una gran variedad de atributos de calidad como la orientación de la fibra, líneas de soldadura, atrapamientos de aire, chorro de material, rebabas marcadas, entre otros. En conclusión, el punto de entrada del polímero es tan importante como el diseño de la pieza en sí.
Consideraciones Generales sobre la Ubicación de la Compuerta
Con el tiempo, se han desarrollado guías generales para la ubicación de la compuerta; estudios y experiencias en planta ayudaron a formar este enfoque de “reglas generales”.
Una de las más importantes es la regla de “Grueso a delgado”. Esta establece que, para llenar la pieza con la menor presión posible, la compuerta debe colocarse en la zona más gruesa de la parte. Hacer esto también ayuda a evitar una solidificación temprana del material y proporciona más tiempo antes de que la compuerta se solidifique durante la fase de compactación. Existen muchas otras reglas genéricas, pero incluso considerándolas cuidadosamente, muchas piezas salen del molde con defectos inesperados relacionados con la ubicación de la compuerta. ¿Por qué?
Caso de Estudio: Cubierta de Levas Automotriz
Veamos la cubierta de levas (automotive cam cover) en la imagen 1. Es una pieza automotriz con restricciones dimensionales estrictas. Hay requisitos de calidad importantes de planicidad en la brida de montaje, ya que la pieza debe sellar herméticamente en el ensamblaje.
También se requiere una concentricidad casi perfecta en el puerto de la tapa de aceite. La pieza no es simétrica, cualquier vestigio de compuerta debe minimizarse y está diseñada para fabricarse con PPS con 35% de fibra de vidrio. Entonces, ¿dónde colocarías la compuerta? ¿Usarías múltiples compuertas? ¿Qué tipo de compuerta usarías? Estas son preguntas que las reglas generales no pueden responder.
Imagen 1. Cubierta de Levas
Análisis de Espesor y Solidificación
La primera acción antes de definir la ubicación de la compuerta debe ser realizar un análisis de espesor. Con esta evaluación se identifican fácilmente las zonas gruesas y delgadas. La imagen 2 muestra un espesor promedio de 2 mm, mientras que la zona más gruesa de 5.4 mm está en el puerto roscado para la tapa de aceite. Existen también otras zonas gruesas en el centro de la pieza.
Luego, un análisis de solidificación simple (imagen 3) permite visualizar las últimas áreas en enfriarse. Estas zonas determinan el tiempo de ciclo e influyen mucho en la forma final de la pieza, ya que diferentes tasas de enfriamiento generan diferencias de contracción. Las secciones delgadas ya solidificaron y terminaron de contraerse, mientras que las gruesas aún están enfriándose y continúan encogiéndose hasta alcanzar el estado sólido. En este caso, el tipo de material también es fundamental ya que la cristalización —típica de los polímeros semi-cristalinos— permite que el material siga encogiéndose incluso después de la expulsión.
(Imagen 2 y 3: Análisis de espesor y solidificación)
Un análisis de solidificación coloca la pieza dentro de un cubo de acero en condiciones iniciales ideales, dejando que ambos elementos interactúen térmicamente hasta que la pieza alcance la temperatura de expulsión recomendada. No se consideran llenado, cambio a empacado, presión o tiempo de empacado o ni ningún otro parámetro del proceso. El desplazamiento resultante de la pieza bajo estas condiciones sirve como referencia para cualquier otro análisis. En este caso, la temperatura inicial del polímero era 350 °F y la del molde 160 °F. La imagen 4 muestra el patrón de desplazamiento, donde las bandas de color no son paralelas a la base, sino curvadas a lo largo de la pieza, lo que indica que las esquinas se elevarán y el centro puede hundirse. No se consideró el efecto de la orientación de fibras, que es el factor más influyente en piezas moldeadas con este tipo de resinas.
Imagen 4. Desplazamiento final después del análisis de solidificación
Evaluación de la Ubicación de la Compuerta
Ahora que conocemos el desplazamiento de la pieza en condiciones ideales, el siguiente paso es considerar el flujo del polímero y seleccionar las ubicaciones de compuerta que nos acerquen más a la calidad deseada. Primero se definen las ubicaciones posibles, luego los objetivos de evaluación. Aunque el puerto roscado es la zona más gruesa, no es posible colocar una compuerta ahí debido a que el fabricante no permite vestigios en zonas que estarán en contacto con el operador o con otros componentes. La imagen 5 muestra 8 compuertas laterales y 3 inyecciones directas. Se evaluaron 11 configuraciones de una sola compuerta y 55 combinaciones de dos compuertas, un total de 66 combinaciones posibles.
Imagen 5.Ubicación de compuertas para evaluación. 8 compuertas laterales y 3 compuertas de canales calientes
Para definir los objetivos, se colocaron puntos de cálculo alrededor de la ranura del empaque y el puerto roscado. Se evaluó planicidad en la ranura, circularidad en el puerto y también la reducción de atrapamiento de aire. La imagen 6 muestra la ubicación de los 31 puntos para la ranura y 12 para el puerto.
Imagen 6. Puntos de cálculo para evaluación de circularidad y planicidad.
Análisis de Planicidad y Circularidad
La herramienta de evaluación en SIGMASOFT permite tomar decisiones rápidamente sobre cuál compuerta logra el mejor resultado considerando los 3 objetivos. Sin embargo, los siguientes párrafos descomponen el proceso con apoyo visual por objetivo.
La imagen 7 muestra el desplazamiento por punto de cálculo para cada combinación de compuerta respecto a la planicidad. El eje Y muestra desplazamiento en mm y el eje X cada punto. Cada línea de color representa un diseño. La línea roja representa Planicidad perfecta. Los desplazamientos varían entre 1.2 mm y -0.4 mm.
Imagen 7. Grafica de planicidad para cada combinación de compuertas (Flatness plot)
La imagen 8 muestra las 3 mejores y la peor combinación. Se observa una mejora de más de 1 mm entre la peor y mejor combinación de compuertas. El diseño #2 resultó ser el mejor con la desviación estándar más baja.
Imagen 8. Gráfico de Planicidad con las 3 mejores y la peor combinación de compuertas
Luego, en la imagen 9 se sobrepone el mejor resultado de circularidad (diseño #60). La desviación estándar se duplica respecto al diseño #2. De los puntos 15 a 31, el comportamiento es similar, pero hay una diferencia en la primera mitad de la zona.
Imagen 9. Mejor diseño para planicidad en naranja y circularidad en azul. El peor diseño se muestra en verde para comparación.
Finalmente, en la imagen 10 se evalúa el atrapamiento de aire. Sorpresivamente, el diseño #2 muestra una gran bolsa de aire en el puerto roscado, mientras que el diseño #60 dirige el aire a la línea de partición con bajo riesgo de atrapamiento.
Imagen 10. Resultados en entrampamiento de aire and los mejores resultados de planicidad y circularidad.
Selección Final de la Compuerta
La imagen 11 muestra la selección final. El diseño #60 presentó una planicidad aceptable, el menor desplazamiento radial en el puerto y sin atrapamiento de aire en zonas críticas. Nótese que esta opción no hubiera sido elegida siguiendo reglas generales. Este caso demuestra la importancia de evaluar correctamente todas las opciones y los factores críticos de calidad antes de tomar decisiones clave como la ubicación de la compuerta.
Imagen 11. Selección final de compuertas de llenado
Por: Staff de SigmaSoft
