Читать книгу: «Configuración de moldes, matrices y cabezales de equipos para la transformación de polímeros. QUIT0209», страница 2

3. Identificación de los diferentes componentes de moldes, matrices, cabezales, husillos y otros utillajes

Cada una de las partes implica un diseño tecnológico por el gran número de componentes. A continuación, se muestran los subpartes de cada una de los componentes.

3.1. Componentes de un molde

Dentro de la industria se encuentra una gran variedad de productos, lo que hace que un molde sea específico y expresamente fabricado y diseñado. Obviando las particularidades, y tomando las generalidades se pueden enumerar los siguientes componentes de un molde.

La parte móvil consta de un sistema de acoples para intercambiar el molde, se mueven de forma solidaria, presionando el polímero sobre la parte fija del molde.

1 Parte móvil

1 -- Placa móvil: es la parte del molde que se mueve para ejercer la presión sobre el material.

2 -- Sistema de expulsión: dispositivo que extrae la pieza una vez formada.

3 -- Placa trasera o sujetadora: es la encargada de sujetar el molde al ser intercambiable.

4 -- Sistema de accionamiento de cierre: dispositivo capaz de ejercer la fuerza de cerrado del molde.

5 -- Sistema de regulación de altura: permite adaptar distintos moldes de diversos tamaños.

1 Parte fija

1 -- Placa fija: es la parte del molde contra la que se ejerce la presión.

2 -- Columnas: son dos tubos circulares que sirven de guía para la parte móvil, dirigen la parte móvil hacia la fija.

3.2. Componentes de una matriz

Una matriz se componen de varios discos de distintas formas, acoplados entre sí, en esta se distinguen las siguientes partes:

1 Porta utillajes, o portador de la matriz, se fija al grupo de la matriz completa, no forma parte de la matriz pero es necesario para su acople.

2 Bolster, o arandela de sujeción, su misión es la de ajustar bien la matriz para evitar fugas.

3 Contramatriz, es la zona donde se ejerce presión mayor presión.

4 Matriz, es la parte final del proceso, donde la materia sale de la extrusora, es de menor tamaño que la contramatriz.

5 Anillo portamatriz, fija la matriz a la contramatriz, ajustando todo el bloque, formado por la matriz y la contra matriz.

3.3. Componentes de las matrices poliméricas

La composición básica de una matriz es principalmente un derivado de sustancias carbonadas, son denominadas sustancias orgánicas debido a que su principal componente es el átomo de carbono. Estos derivados, son los denominados polímeros, formados por la unión de muchas unidades simples de carbono denominadas monómeros. Atendiendo a la composición del monómero, se dispone una gran variedad, la cual se desglosa a continuación.

Distinguimos dos grandes grupos:

1 a. Matrices termoestables: son matrices por uniones muy fuertes en sus moléculas, una vez formada la matriz ya no puede cambiar su forma. A continuación se describen los distintos tipos de matrices termoestables:

1 Resinas de poliéster insaturado. Es un tipo de material muy extendido en la industria. Es sintetizado a partir de alcoholes y ácidos orgánicos, junto al estireno. Sus ventajas e inconvenientes son:

1 Ventajas. Su coste es bajo, su procesamiento es relativamente sencillo, y son muy resistentes a los ataques químicos.

2 Desventajas. Es una reacción muy exotérmica, aumenta su temperatura rápidamente lo que provoca ciertos daños en el material, además disminuye su volumen a lo largo del proceso

1 Resinas de vinil éter. Es sintetizado por resinas epoxi, junto a ácidos de tipo acrílico o metacrilatos; generan una sustancia con un doble enlace, la cual permite la reacción de polimerización. Sus ventajas e inconvenientes son:

1 Ventajas. Son muy resistentes a los procesos químicos, principalmente al de corrosión, y se adhieren fácilmente.

2 Desventajas. Posee un coste muy elevado.

1 Resinas fenólicas. Son materiales formados por monómeros fenólicos y cetonas de un pequeño número de carbonos, durante su reacción se forma agua como subproducto, el cual debe ser eliminado para evitar desperfectos en la pieza. A continuación se detallan algunos tipos de resinas fenólicas:

1 Novalolacas: son resinas cuya proporción entre las moléculas que intervienen en la reacción, es decir, fenol y cetonas es mayor de 1 a 1.

2 Resoles: son resinas cuya proporción entre las moléculas que intervienen en la reacción, es decir, fenol y cetonas es menor de 1 a 1.

1 Las ventajas e inconvenientes de las resinas fenólicas son:

1 Ventajas. Son sustancias que se queman lentamente; este retardo de llama y la baja emisión de gases hacen de estos que sean productos que cumplen bien las normas de seguridad en incendios.

2 Desventajas. Las imperfecciones por la presencias de agua junto a su baja resistencia mecánica a los esfuerzos hacen de ella un material poco apropiado para piezas de alta precisión y duración.

1 Resinas epoxi. Su principal grupo químico es el epoxi con iniciadores de reacción como las aminas, fenoles o poliácidos. Sus ventajas e inconvenientes son:

1 Ventajas. La resistencia mecánica, la baja pérdida de volumen al final de su transformación química y su alta capacidad de resistencia térmica los hacen un material excelente.

2 Desventaja. La baja velocidad en su reacción y formación del polímero, además del alto coste, impiden su uso general.

1 b. Matrices termoplásticas. Son matrices formadas por uniones simples de unidades de monómeros, lo que le permite recuperar sus propiedades plásticas con un simple intercambio de energía a través de un aumento de energía. A continuación se detallan los distintos tipos de termoplásticos más usados en la industria:

1 Polipropileno (PP). Es el material de esta clase más utilizado en la industria, por su amplia variedad de uso como envases alimentarios, film o materiales médicos. Sus ventajas e inconvenientes son los siguientes:

1 Ventajas. Su coste, densidad y resistencia mecánica térmica, lo hace un material muy adecuado.

2 Desventajas. Es muy inestable térmicamente, a bajas o altas temperaturas se vuelve muy frágil.

1 Polietilén tereftalato (PET). Es un tipo de material plástico muy usado en la industria, principalmente como envase; se obtiene por la reacción de condensación entre el ácido tereftálico y el etilenglicol, obteniéndose como subproducto un poliéster o agregado de ambos moléculas. Sus ventajas e inconvenientes son los siguientes:

1 Ventajas. La alta transparencia, su resistencia física al desgaste, su capacidad como aislante térmico y eléctrico, y su aprobación para el uso alimentario, hacen de este un material muy usado por la sociedad.

2 Desventajas. Su alta resistencia, provoca la acumulación de grandes cantidades de residuos de este material una vez ya usado.

1 Policarbonatos. Es un material formado por la unión de muchos grupos carbonatos, estos se obtienen a partir de la molécula de monóxido de carbono. Sus ventajas e inconvenientes son:

1 Ventajas. Es un material muy transparente, y resistente al fuego.

2 Desventaja. Su estructura le hace muy débil ante distintos disolventes orgánicos.

1 Termoplásticos de altas prestaciones. Son materiales muy especiales usados en la industria aeroespacial, llamados aromáticos por ser obtenidos a partir del benceno. Sus ventajas e inconvenientes son:

1 Ventajas. Son los que presenta las mejores propiedades de todo tipo.

2 Desventaja. Su alto coste y la complejidad de su proceso de síntesis hacen de él que solo se usen en aquella industria que pueda asumir sus costes.

MATRICES	Termoestables	Resinas de poliester insaturado
Resinas de vinileter
Resinas fenólicas
Resinas epoxi
Termoplásticas	Polipropileno
Polietilenterftalato
Policarbonatos
Termoplásticos de altas prestaciones

Esquema de tipos de matrices poliméricas.

Actividades

8. Realizar un esquema sobre las distintas matrices termoestables.

9. Buscar información sobre los tipos de plásticos más usados, principalmente sus características y aplicaciones

3.4. Componentes de los cabezales

El cabezal tiene como misión dar la forma del producto acabado, al menos durante esta fase del proceso de tratamiento del polímero. El cabezal posee una serie de funciones anexas, como cambiar la dirección del material. Sus componentes son:

1 Boquilla. Terminación del cabezal para proporcionar el tamaño y la forma deseada.

2 El plato rompedor. Cambia el flujo helicoidal a laminar.

3 Ensamble o adaptador. Zona de unión entre el canal de producto impulsado por el husillo y el cabezal.

4 Mandril. Es la zona cónica que contiene al elemento que incluye el sistema de control del espesor del polímero.

3.5. Componentes de los husillos

El husillo tiene una función esencial dentro del proceso, ya que es el tornillo que mueve la masa fluida hacia el cabezal.

Es husillo está compuesto por tres partes claramente diferenciadas, y una cuarta que solo está presente en algunos tipos de husillo:

1 Zona de alimentación. El material entra en esta zona en pellets o pequeñas bolas. La forma de hélice del husillo provoca un avance del material hacia el frente.

2 Zona de compresión. En esta zona, el husillo aumenta su tamaño, comprime el material y mejora el flujo de calor.

3 Zona de dosificación. A lo largo de esta zona se reduce el paso del polímero, para que este salga de la manera más homogénea posible, y reducir las turbulencias del material.

4 Zona de mezclado. Es la punta del husillo, su función es la de eliminar las posibles partes sólidas o no homogéneas del polímero. Este puede eliminarse del husillo como en el caso del siguiente esquema.

3.6. Otros utillajes

De entre todos los elementos de los apartados anteriores, solo se detallarán los sistemas de intercambio de energía:

1 Sistema de calefacción. Es un conjunto de resistencias eléctricas blindadas alojadas en cilindro. En otras ocasiones se puede suministrar la energía necesaria a través de unos baños de aceite. El sistema lleva un control de temperatura que rige el proceso global.

2 Sistema de refrigeración. En los sistemas de extrusión es necesario enfriar rápidamente la pieza para que no cambie la forma. Para ello, se introduce en el proceso el baño de refrigeración por agua principalmente.

Actividades

10. ¿Por qué, en un sistema de procesado de polímeros, es necesario disponer de un sistema de calefacción y otro de refrigeración?

4. Distribución de las cavidades en el molde

El objetivo de un proceso industrial es la generación de grandes cantidades de producto y la consecución de altos rendimientos. Esto implica que muchas piezas sean formadas a la vez o que una sea formada muy rápidamente. Dentro de la síntesis de polímeros se trabaja mediante la formación de muchas piezas, por lo que la distribución de las cavidades de los moldes dentro de la corriente de flujo es muy importante.

El principio básico del diseño del distribuidor es una alimentación de los moldes de la forma más equilibrada, es decir, que la misma cantidad de material llegue por igual a las cavidades del molde, tanto como para un sistema monopieza, como para uno de varias piezas. Cuando el camino recorrido por la matriz sea mínimo, se eliminarán las posibles imperfecciones y se disminuirá el gasto energético.

El material sufre variaciones en sus propiedades cuando fluye a lo largo del inyector, desde el punto donde se suministra el material, tolva, hasta la entrada al molde. La pérdida de temperatura y de fluidez disminuye la velocidad del caudal, lo que afecta al proceso cuando la disposición es en línea, produciendo diferentes flujos y, por consiguiente, distintos tipos de llenado, dando lugar a problemas en la medida de las piezas en su aspecto externo.

En ciertos casos, la pieza formada exige una gran precisión y unos márgenes de error pequeños, al ser necesarias unas medidas concretas y precisas. En estos casos, y otros en que se dispongan las mismas exigencias, se debe omitir la disposición en línea y hacer un diseño más equilibrado en todas las canalizaciones que trasporten el material.

Importante

Los caminos de alimentación deben ser de igual distancia y longitud.

Aplicación práctica

A continuación, se muestra una representación esquemática de una distribución de moldes, en una extrusora. Los círculos representan los moldes y las canalizaciones de la colada por unas líneas vacías. Indique qué distribuciones son apropiadas o no, en los siguientes diseños.

SOLUCIÓN

A continuación, aparecen marcados en distintos colores los tramos de canalización de colada que son desiguales. Esta desigualdad de distribuciones implica que la distribución no sea homogénea, tanto en temperatura como en su velocidad. Esta variabilidad genera en la pieza pequeñas imperfecciones.

5. Sistemas de extracción. Sistemas especiales para contrasalidas

Una vez está la pieza ya formada, debe ser extraída de su molde. Son sistemas de difícil diseño y funcionamiento, y aún más en los sistemas para piezas con contrasalidas.

5.1. Sistemas de extracción

El sistema de extracción es un dispositivo normalmente mecánico, que tiene por objeto la expulsión de la pieza del molde, una vez que ya ha sido formada, sin afectar a ninguna de las propiedades físicas del producto.

La extracción se realiza atendiendo al tamaño, a su fragilidad y a su peso. En este sentido, los sistemas de extracción se diseñan teniendo en cuenta las siguientes normas:

1 Tamaños grandes y piezas delicadas, mediante recogida manual o asistida mecánicamente.

2 Piezas pequeñas y ligeras mediante caída libre.

El procedimiento de expulsión de la pieza se lleva a cabo mediante expulsores. En la mayoría de ellos son unas pequeñas barras cilíndricas que se desplazan por el interior del molde, empujando la pieza situada dentro del molde.

En resumen, la misión de un expulsor es la separación de la pieza, del molde. Este puede ser de varios tipos:

1 Pasadores cilíndricos.

2 Casquillos de expulsión.

3 Placas regletas o anillos de expulsión.

4 Mordazas deslizantes.

5 Expulsores por aire comprimido.

6 Extractores de plato.

La fuerza de expulsión debe vencer a la fuerza con la que la pieza queda adherida a las paredes del molde.

La fuerza aplicada debe vencer a la de adhesión pero sin causar ningún tipo de desperfectos sobre el producto, los cuales serían inaceptables en el proceso productivo e iría en contra de los estándares de calidad.

Actividades

11. ¿Qué efectos pueden aparecer en una pieza sometida a una fuerza mayor de la que puede soportar?

Para aplicar la suficiente fuerza sin producir daños, esta se reparte utilizando varios expulsores por cada uno de los moldes. Estos deben ser localizados en zonas donde la resistencia de la pieza sea mayor, como en paredes verticales, esquinas o nervios. Estas zonas de resistencia responden a una ley básica de la física denominada ley de la palanca: cuanto menor sea la distancia al punto, mayor es la fuerza que soporta.

Estos expulsores dejan ciertas marcas en el terminado final de la pieza. A la hora del diseño se intenta, en la medida de lo posible, situar los expulsores en las zonas no visibles del producto.

5.2. Sistemas especiales para contrasalidas

Una contrasalida es una parte cóncava con respecto a la parte exterior del cuerpo de la pieza. La fabricación de un elemento con contrasalida implica una dificultad adicional, ya que el molde debe disponer de una parte móvil que esté en contacto con la contrasalida para poder producir la expulsión de la pieza.

Pieza con contrasalida

La forma de la pieza provoca la aplicación de una fuerza, para su desmoldeo. Estas fuerzas no deben producir ningún efecto sobre las dimensiones de la pieza.

El desmoldeo de contrasalidas requiere la implementación de medidas constructivas añadidas, en la mayoría de los dispositivos de la apertura del molde, por lo que se realiza en varias fases. Esto genera la aparición de dispositivos móviles inclinados o correderas, machos de molde divididos o plegados.

Actividades

12. En el mercado existe un gran número de productos que presentan zonas especiales de contrasalidas. Buscar varios tipos de estas piezas.

6. Sensores. Finales de carrera

Todo proceso industrial conlleva una parte compuesta por una serie de dispositivos electrónicos. Esta se rige por las leyes básicas de la electrónica. Dentro de todo proceso de fabricación de plásticos existe un gran número de componentes electrónicos. Para que todo proceso pueda ser controlado por un dispositivo electrónico, es necesario que otro dispositivo pueda actuar por él mismo. Estos llevan accionamientos o actuadores y su función va controlada por un sensor básico.

6.1. Sensores

Un sensor es un dispositivo diseñado para recibir información y transformarla en una respuesta. Básicamente, detecta la presencia o ausencia de producto y genera una actuación en función del diseño del proceso.

Entre todos los tipos de sensores, existe un tipo muy importante denominado sensor de contacto, en ocasiones denominado interruptor límite. Estos pueden ser:

1 Eléctricos: basados en la conductividad eléctrica para detectar la presencia o ausencia de señal.

2 Neumáticos: se sitúan al final del proceso con el objeto de tomar la información y enviar la señal, para poder actuar sobre el circuito. A su vez, está formado por interruptores para detener el proceso o conmutar para generar una respuesta auxiliar.

6.2. Finales de carrera

Un final de carrera es un dispositivo que indica que el final de un proceso ha llegado a un determinado punto, de modo que el procesador genera la respuesta iniciando un nuevo ciclo o proceso.

Existe una gran variedad de sensores finales de carrera dentro del mercado y estos pueden ser fabricados con varios tipos de materiales, metales o plásticos.

Distintos tipos de sensores finales de carrera

Los sensores disponen de varios modelos básicos:

1 Honeywell de seguridad. Es el modelo más sencillo de sensor fabricado en diversos materiales. Trasmite al sistema de control las informaciones de presencia o ausencia, de paso, o de fin de recorrido.

2 Fin de carrera para entornos peligrosos. Es un sensor construido con materiales de alta resistencia, soporta grandes fuerzas y presiones, y suele estar conectado a un actuador de palanca. El actuador tiene la capacidad de sacar la pieza del circuito cuando se detecta el fin del proceso.

3 Sets crews. La función principal de este tipo de sensor es el de prevenir daños sobre el producto.