Diseño y fabricación de un molde de termoformado utilizando herramientas CAD/CAE/CAM

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Informe de Tesis de grado elaborado por Daniel Centeno.

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Diseño y fabricación de un molde de termoformado utilizando herramientas CAD/CAE/CAM

  1. 1. UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Coordinación de Ingeniería de Materiales DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN MOLDE DE TERMOFORMADO UTILIZANDO HERRAMIENTAS CAD/CAE/CAM Realizado por: Daniel Igor Centeno Biasini PROYECTO DE GRADO Presentado Ante la ilustre Universidad Simón Bolívar Como requisito parcial para optar al título de Ingeniero de Materiales Opción Polímeros Sartenejas, Marzo de 2002
  2. 2. UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN MOLDE DE TERMOFORMADO UTILIZANDO HERRAMIENTAS CAD/CAE/CAM Laboratorio “E”, Sección de Polímeros Universidad Simón Bolívar TUTOR ACADÉMICO: Prof. Rosa Amalia Morales. JURADO EVALUADOR: Prof. Mireya Matos. JURADO EVALUADOR: Prof. Renzo Boccardo. Sartenejas, Marzo de 2002
  3. 3. DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN MOLDE DE TERMOFORMADO UTILIZANDO HERRAMIENTAS CAD/CAE/CAM Realizado por: Daniel Centeno RESUMEN El objetivo principal de este proyecto consiste en el diseño y producción de una pieza termoformable, utilizando herramientas CAD/CAE/CAM. Para lograr esto, el proyecto se dividió en cuatro etapas esenciales para las cuales se definieron a su vez objetivos específicos. La primera etapa consistió en la validación del molde actual para vasos, utilizado en la termoformadora Brown S-1150 de la Sección de Polímeros del Lab. E, con la finalidad de estudiar el comportamiento del programa de simulación del proceso de termoformado (T-SIM®). Para la validación del molde, se construyeron modelos en tres dimensiones utilizando el programa modelador de sólidos Pro/DESKTOP 2000i2® y se establecieron, en base a corridas experimentales con PSAI, doce condiciones en las que se variaron tanto la presión de vacío como el tiempo de ciclo. Al comparar los datos obtenidos en la simulación con los experimentales se observaron tendencias similares con variaciones de 30,59% para las paredes y 137,75% para el fondo de los vasos, atribuibles al desgaste de los machos (plugs) y a las aproximaciones del proceso utilizadas. En la segunda etapa se realizó el diseño de la nueva pieza. Para la conceptualización del diseño se recurrió a efectuar un estudio de mercado, con el que se establecieron, los requerimientos generales del diseño, material a utilizar (PSAI) y tipo de proceso (termoformado positivo simple). Luego basado en lineamientos de diseño para piezas termoformables, se procedió a crear una representación de la pieza en tres dimensiones utilizando el modelador de sólidos Pro/DESKTOP 2000i2®. La tercera parte del proyecto refiere el diseño del molde para la nueva pieza, la construcción de un prototipo de la pieza por técnicas de prototipado rápido y la consecuente producción del molde. Para el diseño del molde se hicieron simulaciones con la pieza propuesta para determinar las correcciones en la geometría de la misma, a fin de obtener una distribución de espesores adecuada. Luego de realizar todas las correcciones a la pieza se procedió a realizar el prototipo de la misma, en una máquina Stratasys 3D Printer modelo Genesis XS, por medio de la técnica de prototipado rápido de deposición de material por fusión. Para el molde final se utilizó un molde prototipo existente de una sola cavidad para vasos, con la finalidad de recuperarlo, en el cual se hicieron modificaciones en la placa porta-macho y en la mitad hembra del molde; igualmente hubo que adaptar el sistema de vacío de la máquina termoformadora a la configuración del nuevo molde. Las nuevas placas se hicieron por procesos de torneado y fresado en acero comercial A-36 y debido a lo complicado de la geometría del macho, éste se realizó en madera por maquinado CNC utilizando herramientas CAM. La cuarta y última etapa consistió en el análisis y validación del molde construido a través de la simulación de proceso. Al comparar los datos experimentales con los obtenidos por medio del programa simulador, se observan tendencias similares con variaciones de 18,18% en los espesores de pared a través de la pieza. ii
  4. 4. “A mi madre, fuente inagotable de apoyo e inspiración que siempre ha estado a mi lado guiándome hacia el camino indicado” iii
  5. 5. ÍNDICE GENERAL Pág. RESUMEN ii DEDICATORIA iii AGRADECIMIENTOS iv ÍNDICE GENERAL v ÍNDICE DE TABLAS vii ÍNDICE DE FIGURAS viii CAPITULO I INTRODUCCIÓN 1 CAPÍTULO II OBJETIVOS 3 CAPÍTULO III MARCO TEÓRICO 4 3.1 Proceso de Termoformado 6 3.1.1 Procesos de producción de materiales para Termoformado 6 3.1.2 Calentamiento de la lámina 8 3.1.3 Formado simple 11 3.1.4 Formado asistido. 14 3.1.5 Formado por presión. 18 3.1.6 Formado de láminas dobles. 19 3.1.7 Formado por membrana o diafragma 20 3.2 Máquinas termoformadoras 21 3.3 Materiales termoformables 24 3.4 Diseño de piezas para termoformado 26 3.5 Moldes para termoformado 29 3.6 Herramientas CAD/CAE/CAM 33 3.6.1 Diseño de piezas y moldes 33 3.6.2 Elaboración de prototipos y moldes 34 3.6.3 Optimización del proceso 36 iv
  6. 6. 3.7 Antecedentes 39 3.8 Justificación del proyecto 41 CAPÍTULO IV METODOLOGÍA 42 4.1 Validación del molde actual para vasos 42 4.1.1 Recopilación de datos experimentales 42 4.1.2 Simulación del proceso de termoformado para el molde de vasos 46 4.2 Conceptualización y diseño de una pieza termoformable 49 4.3 Elaboración del prototipo de la pieza, diseño y construcción del molde 50 4.4 Validación del molde construido 53 CAPÍTULO V DISCUSIÓN DE RESULTADOS 56 5.1 Etapa I: Validación del molde actual para vasos 56 5.2 Etapa II: Conceptualización y diseño de la pieza 68 5.3 Etapa III: Elaboración del prototipo de la pieza, diseño y construcción del 73 molde 5.4 Etapa IV: Validación del molde construido 83 CAPITULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 91 6.1 Conclusiones 91 6.2 Recomendaciones 92 CAPITULO VII REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 94 APÉNDICES 97 v
  7. 7. ÍNDICE DE TABLAS Pág. Tabla 3.1: Características típicas de los procesos de termoformado de lámina delgada y 5 de lámina gruesa. Tabla 3.2: Propiedades térmicas de materiales termoplásticos y ciertos materiales de 25 uso común. Tabla 4.1: Propiedades del Poliestireno de alto impacto PS-4600 de Estireno del Zulia 43 C.A. Tabla 4.2: Especificaciones técnicas de la termoformadora Brown modelo S-1150. 43 Tabla 4.3: Parámetros de procesamiento de la condición base para el moldeo de vasos. 44 Tabla 4.4: Condiciones de procesamiento establecidas para la producción de los vasos. 44 Tabla 4.5: Medidas de temperaturas de las láminas en función del tiempo de ciclo. 47 Tabla 4.6: Especificaciones técnicas del acero comercial A-36. 52 Tabla 4.7: Parámetros de procesamiento de la condición base para el moldeo del 54 recipiente de pesado. Tabla 5.1: Alturas medidas de los machos del molde actual para vasos y espesores 60 respectivos en el fondo de las muestras obtenidos en la condición base. Tabla 5.2: Variaciones porcentuales promedio de los datos simulados con los 67 experimentales para el molde de vasos. Tabla 5.3: Medidas de espesores del recipiente de pesado moldeado bajo la condición 84 base. Tabla 5.4: Variaciones porcentuales promedio de los datos simulados con los 89 experimentales para el molde del recipiente de pesado. vi
  8. 8. ÍNDICE DE FIGURAS Pág. Figura 3.1: Proceso de extrusión y termoformado acoplados en serie. 7 Figura 3.2: Representación esquemática de los procesos de formado positivo y formado 12 negativo. Figura 3.3: Representación esquemática del proceso de formado libre o de burbuja. 13 Figura 3.4: Representación esquemática del proceso de termoformado asistido 14 mecánicamente. Figura 3.5: Representación esquemática del preformado por presión neumática. 17 Figura 3.6: Representación esquemática del proceso de formado por presión. 18 Figura 3.7: Láminas compuestas producidas por termoformado por presión. 19 Figura 3.8: Esquematización del proceso de termoformado de lámina doble. 20 Figura 3.9: Esquematización del proceso de termoformado por diafragma o membrana. 21 Figura 3.10: Máquina termoformadora acoplada a estación de corte. 21 Figura 3.11: Modificación de esquinas y bordes para el diseño de piezas termoformables. 29 Figura 3.12: Representación esquemática de un molde prototipo realizado con fórmica 30 porosa de mediana densidad. Figura 3.13: Representación de modelos mediante un sistema de elementos triangulares 34 utilizada en el formato STL. Figura 3.14: Secuencia de formado obtenida mediante la simulación del proceso de 37 formado negativo asistido mecánicamente por pistón. Figura 4.1: Identificación de los machos (plugs) en el molde para vasos. 45 Figura 4.2: Distribución de las medidas de espesor en los vasos. 45 Figura 4.3: Modelos tridimensionales de las partes del molde para vasos. 46 Figura 4.4: Modelo de lámina creado para la simulación del proceso. 47 Figura 4.5: Ventana de control del proceso del programa T-SIM®. 48 Figura 4.6: Ubicación de las líneas de corte en la lámina deformada del molde para 48 vasos. Figura 4.7: Recipientes comerciales estudiados para el diseño de la pieza. 49 vii
  9. 9. Figura 4.8: Secuencia seguida para la creación del modelo de la pieza en tres 50 dimensiones. Figura 4.9: Molde para vasos de una sola cavidad utilizado para la fabricación del 50 molde de la pieza propuesta. Figura 4.10: Diseño de las piezas para el nuevo molde. 51 Figura 4.11: Modificación del diseño de la pieza luego del proceso de simulación. 51 Figura 4.12: Elaboración del prototipo en la máquina de prototipado rápido Stratasys 3D 52 Printer modelo Genesis XS. Figura 4.13: Proceso de elaboración de la placa porta-macho y del marco de sujeción. 53 Figura 4.14: Ubicación de las medidas para el recipiente de pesado. 54 Figura 4.15: Ubicación de la línea de corte en la lámina deformada a partir del molde 55 construido. Figura 5.1: Termoformadora Brown S-1150 perteneciente a la Sección de Polímeros del 56 Laboratorio E. Figura 5.2: Dependencia de la distribución de espesores de los vasos con el tiempo de 57 ciclo. Figura 5.3: Dependencia de la distribución de espesores de los vasos con la presión de 58 vacío. Figura 5.4: Distribución de espesores de los seis vasos presentes en el molde para 59 distintos tiempos de ciclo. Figura 5.5: Distribución de espesores de los seis vasos presentes en el molde para 61 distintas presiones de vacío. Figura 5.6: Dependencia de la temperatura superficial de la lámina con el tiempo de 62 ciclo de termoformado. Figura 5.7: Distribución de espesores de pared experimental y simulada de los vasos 63 para la condición 2. Figura 5.8: Distribución de espesores de pared experimental y simulada de los vasos 64 para la condición 6. Figura 5.9: Distribución de espesores de pared experimental y simulada de los vasos 64 para la condición 10. viii
  10. 10. Figura 5.10: Zonas representativas de la curva simulada de distribución de espesores. 65 Figura 5.11: Resultados de la encuesta realizada a los usuarios de las unidades de 69 laboratorios de la Universidad Simón Bolívar Figura 5.12: Propuestas tentativas de diseño para la geometría de la pieza. 71 Figura 5.13: Diseño de la pieza con sistema de agarre propuesto. 71 Figura 5.14: Componentes del molde original utilizado en la construcción del prototipo. 73 Figura 5.15: Modelo en tres dimensiones del macho con la geometría de la pieza 74 propuesta. Figura 5.16: Distribución de espesores simulada de la pieza propuesta. 74 Figura 5.17: Modelos de la pieza y macho modificados luego de la simulación. 75 Figura 5.18: Distribución de espesores simulada de la pieza modificada. 76 Figura 5.19: Ventana del programa de control de la maquina de prototipado rápido 77 Stratasys 3D Printer modelo Genesis XS. Figura 5.20: Prototipo de la pieza producido en la maquina de prototipado rápido 77 Stratasys 3D Printer modelo Genesis XS. Figura 5.21: Macho producido en madera de Puy por maquinado CNC. 78 Figura 5.22: Modificaciones efectuadas en el marco de sujeción. 79 Figura 5.23: Simulación de la deformación de la lámina antes de ejercer la presión de 79 vacío. Figura 5.24: Representación esquemática del sistema de vacío propuesto. 80 Figura 5.25: Modificaciones efectuadas en la placa portamachos. 80 Figura 5.26: Prototipo del molde para la elaboración de la pieza propuesta. 81 Figura 5.27: Detalle de la línea de vacío utilizada en el molde para vasos. 82 Figura 5.28: Prototipo con accesorios instalado en la termoformadora Brown S-1150. 82 Figura 5.29: Producción de la pieza con los parámetros establecidos para la condición 84 base. Figura 5.30: Distribución de espesores para la pieza moldeada bajo la condición base. 85 Figura 5.31: Distorsiones presentadas en las piezas por el sobrecalentamiento del macho. 86 Figura 5.32: Sistema de refrigeración propuesto para el prototipo. 86 ix
  11. 11. Figura 5.33: Distribución de espesores de pared experimental y simulada de la pieza para 88 la condición base. Figura 5.34: Variación de la pieza obtenida experimentalmente con respecto al prototipo 90 construido en la máquina de prototipado rápido Stratasys 3D Printer modelo Genesis XS. x
  12. 12. CAPITULO I INTRODUCCIÓN La industria de termoformado de plásticos se ha visto últimamente revolucionada por la implementación de herramientas computacionales avanzadas, sobretodo en las áreas de simulación del proceso y de elaboración de prototipos. La aplicación de estas herramientas, permite entre otras cosas, optimizar el proceso de producción y disminuir drásticamente los tiempos de elaboración de prototipos y moldes, lo cual directamente implica una reducción en los costos de fabricación. Existen en el mercado herramientas de Diseño Asistido por Computador (CAD) para el modelamiento de sólidos en tres dimensiones, que permiten llevar los conceptos del diseño a una representación gráfica manipulable. Mediante estas representaciones se pueden establecer las geometrías y dimensiones de los artículos, que cumplan con los requerimientos establecidos por el mercado. Las representaciones CAD son consideradas como el punto de partida para el diseño y elaboración de moldes y prototipos. Otro avance importante lo constituyen las herramientas de Ingeniería Asistida por Computador (CAE) que permiten realizar simulaciones controladas del proceso mediante las cuales se puede predecir el comportamiento de la distribución de espesores de la pieza, los perfiles de temperatura en el tiempo y las deformaciones de la lámina, en un ambiente gráfico de fácil visualización. A partir de los resultados obtenidos en las simulaciones es posible corregir fallas en el diseño de los moldes antes de su construcción ahorrando tiempo y dinero. Las herramientas de Manufactura Asistida por Computador (CAM) permiten entre otras cosas, establecer los costos de fabricación de una pieza determinada así como optimizar los procesos de producción de las mismas. A partir de modelos CAD de la pieza se pueden generar secuencias de control utilizadas por máquinas con centros de control numérico (CNC) o de prototipado rápido que permiten fabricar réplicas con muy bajas tolerancias del modelo virtual, reduciendo al mínimo la intervención de los operarios.
  13. 13. 2 La implementación de este tipo de tecnologías en la industria polimérica no sólo reportaría beneficios económicos sino que permitiría ofrecer a los consumidores una mayor calidad en los artículos producidos. Al propiciar un ambiente competitivo donde la calidad es un factor determinante, los productos venezolanos podrían establecerse de manera rentable en el mercado internacional. Es importante reseñar que proyectos de investigación en esta área son necesarios para que los empresarios venezolanos consideren la implementación de herramientas CAD/CAE/CAM como una necesidad. A medida que la información sea difundida aumentará la confianza en estas tecnologías y se creará un ambiente propicio para su implementación en el país.
  14. 14. CAPÍTULO II OBJETIVOS • Analizar y validar mediante el uso de herramientas de Diseño Asistido por Computador (CAD) y de simulación del proceso de termoformado (CAE), el molde actual para vasos utilizado por la máquina termoformadora Brown modelo S-1150, perteneciente a la Sección de Polímeros del Laboratorio “E” de la Universidad Simón Bolívar. • Conceptualización y diseño de una pieza de utilidad para la comunidad universitaria a producirse en las instalaciones de la misma, mediante el proceso de termoformado. • Diseño y producción de un molde prototipo para la pieza, utilizando herramientas CAD/CAE/CAM. • Validación del prototipo mediante la simulación del proceso de termoformado generada por herramientas de Ingeniería Asistida por Computador (CAE). Comparar resultados teóricos y experimentales.
  15. 15. CAPITULO III MARCO TEÓRICO Termoformado es un término genérico que engloba varias técnicas de procesamiento por las cuales se obtienen artículos plásticos a partir de láminas planas de distintos polímeros. Estos procesos involucran tres etapas fundamentales, como paso inicial está el calentamiento de láminas de material polimérico hasta la temperatura de procesamiento, luego éstas son deformadas hacia la superficie de un molde, a menor temperatura, con la forma deseada y finalmente, cuando la lámina se ha enfriado lo suficiente para mantener la forma del molde, esta se retira del área de formado y el exceso de material es removido para obtener la pieza final.[1,2] Los productos termoformados son típicamente clasificados en dos grandes categorías, los llamados productos permanentes o industriales y los que corresponden a productos desechables como los utilizados en el área de empaques. Dentro de los productos industriales pueden considerarse: anaqueles o estantes para equipos médicos o electrónicos, paneles decorativos para autos, aviones, motocicletas, bañeras e implementos para cuartos de baño, cascos y asientos para lanchas, tragaluces y muchos otros artículos de uso permanente. En el área de productos desechables se pueden mencionar: empaques para medicinas, empaques tipo burbuja, vasos para bebidas frías y calientes, bandejas para comidas horneables, contenedores para comida, empaques transparentes con la forma del producto, etc.[1,2] En el mercado de empaques para alimentos los artículos termoformados gozan de gran popularidad debido a su bajo costo, gran área superficial por volumen y extraordinario desempeño bajo un amplio rango de temperaturas. Avances en los materiales y en procesos de producción, así como mejoras sustanciales en las máquinas utilizadas, han permitido que los productores de artículos termoformados conquisten el mercado de empaques para alimentos y productos de consumo humano.[3] Los distintos procesos de termoformado generalmente se subdividen en dos grandes grupos dependiendo del espesor de la lámina utilizada, cuando el espesor de ésta es menor a 1,5 mm, el proceso es referido como termoformado de lámina delgada. Análogamente, cuando el
  16. 16. 5 espesor es menor a 0,25 mm es llamado termoformado de film o película y cuando el espesor excede los 3 mm se conoce al proceso como termoformado de lámina gruesa. En la Tabla 3.1 se resumen las características primordiales de los procesos de termoformado de lámina delgada y de lámina gruesa.[1] Tabla 3.1: Características típicas de los procesos de termoformado de lámina delgada y de lámina gruesa.[1] Característica Lámina delgada Lámina gruesa Espesor inicial de la lámina. Menor a 1,5 mm. Mayor a 3,0 mm. Estanterías, productos Productos típicos. Empaques, artículos desechables. industriales o permanentes. Alimentación de material. Automático en rollos. Manual o automático en tramos. Prensa rotatoria de múltiples Maquinaria típica utilizada. Extrusión-Formado en línea. estaciones. Método de calentamiento de la Radiación. Conducción. lámina. Patrón zonas de calentamiento. Poco frecuente. Muy utilizado. Tamaño de piezas moldeadas. Pequeño. Medio a muy grande. Numero de cavidades del molde. Muchas. Una o dos generalmente. Tipo de molde. Hembra usualmente. Macho, hembra, mixto. Madera, yeso, espumas Materiales del molde. Aluminio maquinado. sintácticas, metales blandos, aluminio vaciado. Sistemas activos o ninguno para Enfriamiento del molde. Activamente controlado. prototipos. Enfriamiento de la superficie Convección forzada de aire, Ambiente generalmente. libre. rociado con agua. Material de desecho. 50% 25-30% Algunos procesos de la industria del plástico compiten en diversos mercados con el de termoformado, tales como el moldeo por extrusión-soplado, el moldeo por inyección, rotomoldeo y en algunas aplicaciones muy específicas, el moldeo de termoestables reforzados con fibra de vidrio.[1,4] Termoformado es un proceso de relativamente bajas temperaturas y presiones, por lo que los costos de producción son comparativamente más bajos que para los otros procesos mencionados. En este proceso además, se utilizan generalmente moldes con acabados superficiales en una sola cara, lo que implica costos y tiempos de fabricación de los moldes mucho menores. Otra ventaja consiste en que en este proceso no hay flujo de material ya que el proceso involucra el manejo de láminas de polímero, obteniendose relaciones de
  17. 17. 6 superficie/espesor bastante elevadas. Este último aspecto es de gran importancia en el área de empaques ya que se requieren piezas de espesores delgados y gran área superficial.[1,4] La mayor desventaja del proceso de termoformado, es que éste involucra un solo lado de la lámina, en consecuencia se obtiene una distribución de espesores en lugar de un único espesor; además el acabado superficial sólo se obtiene en el lado de la lámina que está en contacto con el molde. El hecho de que el proceso de termoformado involucre láminas de material podría también ser considerado como una desventaja, ya que se incurre en costos adicionales de producción o compra de las láminas. Otro problema importante se refiere a que las partes formadas se encuentran unidas a la lámina, que luego tiene que ser removida, generando perdidas de material de alrededor de un 40%.[1,5] Debido a esto, el reciclado del material de desecho se ha convertido en un área de gran interés. El avance en las técnicas de reciclaje ha sido impulsado en gran medida por los beneficios tanto económicos como ecológicos que representa este proceso. Actualmente es práctica común la recuperación del material mediante la molienda y mezclado de éste con material virgen; sin embargo, existen ciertos inconvenientes relacionados con la pérdida de propiedades físicas.[5] 3.1 PROCESO DE TERMOFORMADO 3.1.1 Procesos de producción de materiales para Termoformado. Todas las técnicas de termoformado involucran la formación de piezas a partir de láminas, las cuales, a su vez, son producidas mediante distintos procesos de la industria plástica. Los pasos esenciales en la producción de materiales termoformables son: • La producción del polímero deseado. • El mezclado del polímero con aditivos y ayudantes de procesamiento, para su posterior peletización (antioxidantes, pigmentos, lubricantes, cargas, plastificantes, aditivos anti-UV, retardantes a la llama, etc.).
  18. 18. 7 • El procesamiento de estos materiales para transformarlos en láminas de espesores entre 0,5 – 15,0 mm. La mayoría de las láminas utilizadas en termoformado son producidas mediante el proceso de extrusión, donde se pueden obtener espesores de 0,1 mm hasta 50,0 mm. En este proceso, la extrusora calienta, mezcla y, si es necesario, desgasifica el material a ser procesado (granulado o peletizado, en polvo, aglomerados o molidos), para luego extruirlo bajo presión a través de un cabezal en forma de ranura. A través de este proceso pueden fabricarse láminas de una o varias capas de material.[5] En algunos casos, para la producción dedicada de productos termoformados, el proceso de extrusión se encuentra acoplado al proceso de termoformado, tal como se muestra en la Figura 3.1. Este tipo de líneas de producción son utilizadas en procesos de formación de láminas delgadas, para la obtención de productos como vasos desechables y envases para alimentos.[1] A pesar de que el concepto de extrusión-formado en línea es muy novedoso, diversos problemas pueden presentarse al momento de acoplar los dos procesos involucrados, siendo el más común la incompatibilidad de la velocidad de producción de ambas máquinas, donde el caudal de salida de la extrusora puede ser mayor o menor que la cantidad de piezas a formar. El ciclo del proceso de termoformado siempre debe gobernar el ciclo total de producción.[1] Figura 3.1: Proceso de extrusión y termoformado acoplados en serie.[1] Otros procesos utilizados son extrusión-soplado y calandrado para la obtención de películas utilizadas en empaques, y el vaciado de materiales termoplásticos para la fabricación de láminas de gran espesor.[5]
  19. 19. 8 3.1.2 Calentamiento de la lámina La primera etapa en el termoformado de una pieza plástica involucra el calentamiento de una lámina a una temperatura adecuada para su procesamiento. La calidad de las piezas producidas y el costo asociado al proceso de termoformado están relacionados directamente con los métodos utilizados para el calentamiento de la lámina.[5] Existen tres métodos de transferencia de energía térmica utilizados para el calentamiento de la lámina, estos son conducción, convección y radiación.[5] a) Conducción La conducción de calor consiste en la transferencia de energía por contacto entre sólidos, siendo este método el más utilizado cuando la lámina de polímero es de espesor delgado (menor a 0,1 mm). En este método, el calor es transferido por contacto directo a través de placas metálicas o cilindros calentados por resistencias a la lámina de material. El proceso de conducción está caracterizado por la siguiente ecuación de transferencia de calor: [1,6] ∂T Q = −kA (1) ∂x Donde: Q: Transferencia de calor. k: Conductividad térmica del material. A: Área de transferencia. T: Temperatura. Las ventajas de este proceso son: • Es posible lograr un control preciso sobre la temperatura de la lámina. • Se obtiene un calentamiento uniforme de la lámina. • Si la temperatura de calentamiento es igual a la temperatura de formado, se evita el sobrecalentamiento del material. • Baja pérdida de calor.
  20. 20. 9 Las desventajas del proceso de conducción son: • Cuando la temperatura de la placa metálica es mayor que la temperatura de formado, los materiales tienden a adherirse a la superficie de contacto. Esta tendencia puede disminuirse utilizando agentes anti-adherentes, excepto el estearato de calcio. • Para una adecuada transferencia de calor, es necesario un contacto uniforme a través de toda la superficie de contacto del material a ser termoformado. Esto se dificulta debido a la deformación de la lámina por la expansión térmica típica de los materiales plásticos. b) Convección El fenómeno de convección se refiere a la transferencia de calor entre un sólido y un fluido, que en el caso de termoformado, corresponde al aire que rodea a la lámina. El calor es transferido de uno a otro cuando existen diferencias de temperatura entre estos y depende marcadamente de la magnitud de esta diferencia de temperaturas, así como de la velocidad del fluido. Este fenómeno está regido por la siguiente ecuación de transferencia de calor: [1,5] Q = hA(TS − T∞ ) (2) Donde: Q: Transferencia de calor. h: Coeficiente de convección A: Área de transferencia. TS: Temperatura superficial de la lámina. T∞: Temperatura del aire. Al analizar la ecuación anterior se observa que para mayores diferencias de temperatura, la transferencia de calor es mayor, por lo que, al utilizar aire a temperaturas elevadas, se pueden conseguir temperaturas mayores de la lámina en menor tiempo. Asimismo, al aumentar el coeficiente de convección asociado al fluido, también se incrementa la transferencia de calor, esto se puede lograr aumentado la velocidad del aire que rodea a la lámina por medio de ventiladores (convección forzada).[6]
  21. 21. 10 El calentamiento por aire es empleado en el proceso de termoformado: • Para el secado de materiales higroscópicos en hornos de convección forzada. • En precalentadores para máquinas termoformadoras. • Cuando el tiempo de calentamiento no es un factor crucial en el proceso. El control sobre la temperatura superficial y del núcleo de la lámina es función de la velocidad de calentamiento. A altas velocidades, el control sobre la temperatura es bastante impreciso, por lo cual la principal desventaja de este método de calentamiento consiste en que para obtener uniformidad en la temperatura a través de toda la lámina son necesarios ciclos de calentamiento elevados.[5] c) Radiación El calentamiento por radiación de la lámina, es el método más utilizado en la actualidad debido a la simplicidad de los componentes del sistema de calentamiento, a los menores tiempos de calentamiento y a la alta precisión en el control de temperaturas. La transferencia de calor por radiación consiste básicamente en el intercambio de energía electromagnética entre superficies sólidas, a distintas temperaturas. El calor es transmitido en el rango infrarrojo del espectro de luz (longitud de onda de 0.7 m a 100 m), para la mayoría de los procesos de termoformado se utilizan elementos que proveen de luz infrarroja de longitud de onda entre 2 m a 15 m. El proceso de radiación se rige por la siguiente ecuación: [1,6] Q = σAFFg (Th4 − Ts4 ) (3)     Fg =  1  (4)  1 1   +   εh εs −1 Donde: Q: Transferencia de calor. A: Área superficial F: Factor de vista Fg: Factor de corrección de cuerpos opacos
  22. 22. 11 σ: Constante de Stefan-Boltzmann Th: Temperatura del elemento de calefacción Ts: Temperatura de la lámina εh: Emisividad del elemento de calefacción εs: Emisividad de la lámina La eficiencia de la transferencia de calor depende de las capacidades relativas de emisión y absorción de la fuente de calentamiento y de la lámina de plástico, respectivamente. La absorción es función, a su vez, del tipo de material, el color y espesor de la lámina, y de la longitud de onda de los rayos incidentes. La emisividad depende básicamente del tipo de elemento de calentamiento (espirales de Ni-Cr, emisores tubulares de cuarzo, barras de calentamiento de acero, platos de cerámica con resistencias, platos rerradiantes, etc.) y de la forma geométrica del mismo.[1] La velocidad de transferencia de calor depende de los siguientes factores: • El calor transferido aumenta por la cuarta potencia de la temperatura superficial del elemento de calentamiento en grados Kelvin. Al aumentar la temperatura superficial de éste, se disminuye el período de calentamiento. • Al disminuir la distancia entre el banco de calentadores y el material, ocurre una mayor transferencia de calor, acortándose el período de calentamiento. • La superficie emisiva del calentador debe ser de un material que posea una alta emisividad. • Las curvas de absorción del material deberían coincidir con el espectro de radiación máxima del elemento de calentamiento. 3.1.3 Formado simple La técnica más sencilla de termoformado consiste simplemente en el calentamiento de una lámina de material, que luego es forzada en contra de la superficie de un molde con una forma definida. Quizás la referencia más antigua que se tenga de la aplicación de este principio sea la de producción de vasijas para alimentos hechas con láminas de queratina reblandecidas en aceite caliente, provenientes de la concha de las tortugas, típicas de la antigua cultura egipcia.[1]
  23. 23. 12 Técnicamente, el proceso consiste en la deformación diferencial progresiva de la lámina, la cual se estira, haciéndose más delgada, hasta hacer contacto con la superficie del molde. Por esto, las piezas termoformadas presentan una distribución no uniforme de espesores, siendo las ultimas áreas formadas las más delgadas, débiles y con mayor orientación.[1] Como se ha descrito anteriormente, en termoformado, sólo un lado de la lámina entra en contacto con la superficie del molde, reproduciendo el contorno de esta. Las dimensiones y contornos de la superficie libre son resultado del espesor de pared local. El proceso es conocido como formado positivo o negativo dependiendo del lado de la lámina que entre en contacto con el molde. En la Figura 3.2 se observa una representación esquemática de ambos procesos y sus distribuciones de material características.[5] Figura 3.2; Representación esquemática de los procesos de formado positivo (a), y formado negativo (b). [5] (1 áreas gruesas, 2 áreas delgadas, 3 dimensión final interna, 4 dimensión final externa). El formado positivo de la lámina da como resultado, piezas que presentan menores espesores en la pared, esquinas y bordes superiores que en la base. Además, la parte interior de la pieza es una replica exacta del molde utilizado. Esta técnica es muy utilizada en la producción de piezas muy grandes realizadas a partir de láminas de gran espesor.[1] El formado negativo consiste en deformar la lámina con ayuda de un diferencial de presión negativa hacia la superficie de un molde hembra. En este proceso se obtiene una réplica de la superficie del molde en la parte externa de la pieza, la cual presenta, a su vez, espesores menores en la base y bordes inferiores que en el tope. Esta técnica es utilizada tanto en procesos de lámina delgada como de lámina gruesa.[1]
  24. 24. 13 Ambos procesos son de una sola etapa y presentan una distribución de espesores de pared bastante amplia, por lo cual su aplicación se considera mayormente en la producción de piezas con cavidades de poca profundidad y en donde el espesor de pared no afecta la funcionalidad de la pieza.[1,6] Otro proceso de una sola etapa se refiere al formado libre o formado de burbuja, en el cual a diferencia de los demás procesos de termoformado, no se utiliza ningún tipo de molde para obtener la forma de la pieza final. En este proceso la lámina es asegurada en los bordes y calentada hasta la temperatura de procesamiento, luego se aplica una presión de aire positiva que causa la deformación de la lámina.[1,6] La altura de la burbuja es controlada por la activación de un micro-switch o haz de luz colocados a la altura deseada, que restringen la entrada de aire al interior de la burbuja. Debido a que no se utilizan moldes, en este proceso se obtienen superficies libres de marcas y un espesor de pared uniforme a través de la pared de la burbuja. En la figura 3.3 se observa una representación esquemática del proceso de formado libre.[1,6] Figura 3.3: Representación esquemática del proceso de formado libre o de burbuja.[1] Este proceso es ampliamente utilizado en el termoformado de lámina delgada para la fabricación de empaques transparentes para artículos de consumo masivo o de la industria farmacéutica (blisters). En el área de formado de lámina gruesa, el proceso de formado libre también tiene ciertas aplicaciones menos comunes, como la producción de ventanas para aviones y tragaluces de viviendas.[1]
  25. 25. 14 3.1.4 Formado asistido. La mayoría de las piezas termoformadas, sobre todo aquellas que poseen cavidades profundas, no pueden ser producidas con las técnicas descritas anteriormente, debido a la marcada distribución desigual de espesores que se obtiene en las paredes. Por esto, se recurre a ciertas modificaciones que mejoran la uniformidad de espesores, siendo las más utilizadas en la industria, el formado asistido mecánicamente (plug assist), el calentamiento por zonas y preformado por presión neumática, descritos a continuación: a) Formado asistido mecánicamente (plug assist): Esta modificación consiste en aplicar presión mediante estructuras sólidas o pistones impulsados mecánicamente a la lámina de material reblandecido antes del formado. Esto incrementa la cantidad de material que es introducido en la cavidad, y por ende, disminuye considerablemente la variación de espesor en las paredes. Luego la lámina predeformada es forzada hacia las paredes del molde, con la ayuda de presión de aire positiva desde el lado del pistón, o negativa a través del molde hembra. En la Figura 3.4 se puede observar la secuencia del proceso.[1,7] Figura 3.4: Representación esquemática del proceso de termoformado asistido mecánicamente.[1] El proceso de termoformado asistido mecánicamente por pistones, es utilizado principalmente cuando el proceso de termoformado simple puede originar espesores de pared inadecuados en la pieza (excesivamente delgados). El pistón provoca una deformación localizada del material, que aminora la disminución de espesor extrema que ocurre en piezas que cuentan con cavidades muy profundas, bordes o esquinas agudas.[7]
  26. 26. 15 Los pistones pueden ser realizados de cualquier material sólido resistente a la temperatura de procesamiento: madera, espumas termoestables, nylon, teflón o aluminio con sistema de calentamiento son los más utilizados. La escogencia del material y la forma del pistón dependen del material de la lámina a termoformar así como de la geometría de la pieza que se quiere producir. Debido a que la superficie del pistón se encuentra a menor temperatura que la lámina, estos tienden a dejar marcas en la superficie interna del artículo moldeado.[1] Las propiedades finales de la pieza están regidas por una gran cantidad de parámetros de procesamiento como: la temperatura de la lámina, la presión de aire ejercida y el tiempo de vacío. Estos parámetros gobiernan en parte la cantidad de material que es arrastrado hacia la base de la pieza.[7] A menores temperaturas, la lámina presenta un comportamiento más elástico, por esto, el desplazamiento de material hacia la base disminuye, provocando espesores de pared menores. El tiempo al cual se inicia el vacío gobierna la rapidez con la cual el material es depositado en la superficie del molde; a medida que se aumenta el tiempo en el que empieza a salir el aire, el pistón ha recorrido un mayor trecho dentro de la cavidad, por lo cual una mayor cantidad de material es arrastrado. La presión de vacío regula la capacidad del material de deformarse para formar una réplica del molde, a mayores presiones de vacío hay una mayor deformación de la lámina por lo cual se obtienen menores espesores tanto en las paredes como en la base de la pieza.[7] Sin embargo, hay otros parámetros asociados al pistón, que poseen una mayor influencia en las propiedades finales de los artículos termoformados. Los más importantes son la forma del pistón, la velocidad a la que éste es trasladado y el coeficiente de fricción del material del que está hecho. La cantidad de material en los bordes está influenciada principalmente por la forma del pistón; mientras mayor área de contacto presente la superficie de este, mayor cantidad de material es arrastrado hacia la base de la pieza, lo que reduce la cantidad de material en el borde.[2]
  27. 27. 16 El espesor de las paredes, en cambio, está regido por la profundidad que el pistón alcanza antes de que sea aplicada la presión de formado. Al disminuir el recorrido del pistón en el molde (disminuyendo la velocidad o la altura del pistón), se aumenta la cantidad de material en las paredes, una vez que se aplica la presión de formado, una menor cantidad de material alcanza la base del molde debido a la mayor distancia entre la lámina y la base del molde, que con las paredes.[2] En la base, la cantidad de material es función de la forma y la profundidad del pistón, tal como se reseñó anteriormente. A mayor área de contacto, aumenta la cantidad de material en esta zona y, a una mayor altura del pistón, disminuye el recorrido del material hacia la base del molde, aumentando igualmente la cantidad de material.[2] La fricción entre la lámina de material y el pistón también juega un papel importante en la distribución de espesores de la pieza, al igual que la temperatura y velocidad del pistón, ya que la fricción interfacial es función de estas variables. La fricción presente en la interfase lámina-pistón se relaciona directamente con los coeficientes de fricción de los materiales involucrados; mientras mayores sean estos, mayor será la interacción entre ambas superficies. Del mismo modo, al aumentar la temperatura, esta interacción se intensifica al igual que al disminuir la velocidad del pistón. Se ha podido establecer experimentalmente que, a mayor fricción entre las partes, se consiguen mayores espesores en la base, ya que una mayor cantidad de material es arrastrada hacia esta área, incluso obteniéndose espesores muy parecidos a los iniciales de la lámina.[8] b)Calentamiento no uniforme de la lámina o por zonas: Esta modificación es aplicada comúnmente al termoformado de lámina gruesa de piezas de gran tamaño y consiste en el calentamiento desigual de la lámina, ocasionando zonas a mayor temperatura. En las zonas que presentan mayor temperatura, la lámina tiene un mayor comportamiento viscoso, por lo cual es más fácil deformar y arrastrar el material presente. De esta forma, se pueden obtener espesores uniformes a través de la pieza, ya que las zonas donde normalmente se obtienen paredes muy delgadas son calentadas menos que las que presentan un
  28. 28. 17 espesor mayor, logrando con esto un equilibrio en el transporte de material en la etapa de formado.[1] En las máquinas modernas, dotadas de zonas de calentamiento individuales, esto se puede lograr sin muchas complicaciones, manipulando los controles individuales para cada unidad de calentamiento. En el caso de que la maquinaria empleada no cuente con estas características, es común el uso de pantallas radiativas que restringen el flujo de calor hacia las zonas críticas, logrando así la distribución de temperaturas requerida.[7] c) Preformado por presión neumática: Como se describió anteriormente, en el proceso de formado libre de burbuja se obtiene un espesor uniforme en las paredes del recipiente. Este efecto es utilizado frecuentemente en los procesos de termoformado para mejorar la distribución de espesores de la pieza. Esta técnica consiste en la formación de una burbuja, previamente a la etapa de moldeo, con lo cual se logra una distribución de material uniforme en la superficie del molde. Existen varios tipos de procesos, dependiendo de si la presión de aire utilizada para formar la burbuja es negativa o positiva y si el molde utilizado es hembra o macho.[1] En uno de estos métodos la lámina se infla por presión de aire positiva, formando una burbuja, a la cual se introduce el macho para formar la pieza. Para asegurar que la lámina copie la forma del molde se aplica vacío desde el macho. En la figura 3.5 se presenta una representación del proceso.[1] Figura 3.5: Representación esquemática del preformado por presión neumática.[1]
  29. 29. 18 3.1.5 Formado por presión. Casi todos los procesos de termoformado utilizan presión de aire para deformar la lámina hacia el molde, sin embargo, se considera formado por presión solamente cuando ésta excede a la presión atmosférica (0,1 MPa, 15 lb/pulg2). Usualmente, en este proceso se utilizan presiones de hasta 10 atmósferas (1 MPa o 150 lb/pulg2) en la superficie libre de la lámina y, al mismo tiempo, una presión de vacío en la superficie cercana al molde. El aire a alta presión es contenido dentro de una caja de presión que inmoviliza a la lámina contra el molde, luego se abre la válvula de paso de aire y la lámina es deformada hacia la superficie del molde donde al mismo tiempo se ejerce vacío. En la figura 3.6 se puede observar las etapas de este proceso.[1] Figura 3.6: Representación esquemática del proceso de formado por presión.[1] El formado por presión se utiliza principalmente en el termoformado de lámina gruesa, cuando la lámina de material es demasiado rígida para copiar la superficie del molde. Al aumentar la presión del lado opuesto al molde, se logra deformar la lámina completamente. Las piezas realizadas con este proceso, poseen acabados superficiales y radios de curvatura que se asemejan a las piezas realizadas por inyección. Este proceso también es utilizado en el termoformado de lámina delgada, cuando se quiere disminuir el tiempo de ciclo, desprendiendo la lámina rápidamente del pistón hacia la superpie del molde a menor temperatura.[1,5] Otra aplicación importante la constituye el formado de láminas compuestas de varias capas, para lo cual se necesita de presiones suficientemente altas para obtener la forma deseada. El uso de esta técnica es práctica común en el moldeado de cascos para botes, en el cual se da forma a láminas que tienen superficies externas de ABS y un centro de poliuretano espumado con refuerzos de fibra de vidrio, tal como se puede ver en la Figura 3.7. En comparación con los
  30. 30. 19 procesos tradicionales de moldeo por contacto y compresión, se obtiene un mayor control sobre la calidad final de las piezas y se disminuye considerablemente las variaciones en el proceso.[9] Figura 3.7: Láminas compuestas producidas por termoformado por presión.[9] 3.1.6 Formado de láminas dobles. El reciente avance en las maquinarias y moldes utilizados en esta técnica ha hecho posible que el formado de láminas dobles sea comercialmente viable, compitiendo con los procesos de rotomoldeo y soplado. [5] Existen por lo menos tres variantes comerciales de este proceso utilizadas en la industria moderna del plástico. El método más antiguo y simple utilizado, consiste en la producción por separado de las dos mitades que conforman la pieza en máquinas convencionales, para luego ser unidas con pegamento o soldadas por temperatura.[5] En el formado simultáneo de láminas dobles, las dos láminas son sujetadas por el mismo marco y entre ellas se encuentra un pin de soplado, que mantiene una presión interna entre las láminas suficientemente grande para que éstas no se adhieran entre sí, en la etapa de calentamiento, tal como se muestra en la Figura 3.8. Las láminas luego son formadas en un molde doble, al aumentar la presión interna, la lámina de arriba adquiere la forma de la mitad superior del molde y la de abajo la forma de la mitad inferior.[5]
  31. 31. 20 Figura 3.8: Esquematización del proceso de termoformado de lámina doble.[1] Existe otra variante donde primero es formada una mitad, luego la otra y seguidamente se prensan éstas en el mismo sitio, para formar un artículo hueco o semi hueco. Este método es utilizado más que todo cuando no se cuenta con el equipo necesario para calentar ambas láminas simultáneamente. Este proceso se utiliza en diversas aplicaciones que requieren de artículos huecos, normalmente fabricados por moldeo rotacional o por soplado, entre estos se pueden mencionar: pelotas de ping-pong, botellas de cuello delgado, juguetes, etc.[1,5] 3.1.7 Formado por membrana o diafragma Este método es utilizado en casos donde el material polimérico a utilizar tiene muy baja resistencia mecánica a las temperaturas de procesamiento y tiende a romperse. Consiste básicamente en sujetar la lámina en contra de una membrana de caucho resistente a altas temperaturas (neopreno) para luego calentarla a la temperatura de formado. Seguidamente, la membrana y la lámina caliente de material son deformados hacia la superficie del molde con la ayuda de presión positiva (aceite hidráulico o agua caliente) por la cara interna de la membrana, tal como se muestra en la Figura 3.9. En este proceso se obtienen espesores de pared bastante uniformes a lo largo de toda la superficie de la pieza. Con el debido mantenimiento y acondicionamiento las membranas pueden ser utilizadas por cientos de ciclos antes de ser reemplazadas.[1]
  32. 32. 21 Figura 3.9: Esquematización del proceso de termoformado por diafragma o membrana.[1] 3.2 MÁQUINAS TERMOFORMADORAS Como se ha descrito anteriormente el proceso de termoformado, es un proceso relativamente sencillo, que involucra presiones y temperaturas bajas en comparación con otros procesos de la industria de plásticos; por esto, aproximadamente un 40% de las máquinas utilizadas actualmente en procesos de termoformado han sido construidas por los propios termoformadores o han sido modificadas sustancialmente de su diseño original para cumplir con requerimientos específicos relacionados con la pieza a producir.[1] A continuación se detallan las características esenciales de máquinas termoformadoras producidas comercialmente. El la figura 3.10 se puede observar una representación esquemática de una máquina termoformadora de lámina delgada acoplada a una estación de corte y recolección de desechos, típicamente utilizada en industrias termoformadoras.[1] Figura 3.10: Máquina termoformadora acoplada a estación de corte.[1]
  33. 33. 22 El material es alimentado a la máquina en forma de rollos de láminas, que pueden llegar a pesar 1000 kilogramos o tener diámetros de hasta 2 metros. Los dispositivos alimentadores deben contar con sistemas de frenado pasivos o con instrumentos que regulen la velocidad del rollo de lámina para asegurar que no ocurra una sobrealimentación que podría ocasionar la caída de la línea de producción.[1] La lámina es transportada a través de las distintas zonas de la máquina por medio de cadenas dentadas que cuentan con pines que atraviesan la lámina en el borde. Estos pines pueden ser calentados para evitar rasgaduras de la lámina cuando se trabaja con materiales rígidos (PET, PVCR). Normalmente, las cadenas están protegidas y son autolubricantes, salvo en aplicaciones médicas o de alimentos donde se requiere que la lámina no posea residuos.[1] La zona de calentamiento consiste en hornos modulares que proveen de un intercambio de energía uniforme con la porción de lámina que se encuentre en esta zona, estos pueden contar con varias secciones dependiendo de si es requerido un precalentamiento del material, o si se está trabajando con materiales difíciles de calentar como APET, PVC y PP. La temperatura obtenida en la lámina es función del tiempo de permanencia en el horno, que a su vez es determinado por el tiempo del ciclo de formado y enfriamiento.[1] Una vez que la lámina se ha calentado se pasa a la zona de formado, que consta de una prensa hidráulica o servo mecánica en cuyas placas se acoplan los moldes. La prensa debe permitir un cerrado rápido del molde sin golpear la superficie de éste, además debe suministrar la suficiente presión para inmovilizar los bordes de la lámina. En la zona de formado, también se puede contar con placas porta-pistones para asistido mecánico y placas expulsoras, ambas movilizadas hidráulicamente. En algunos casos se incluyen placas con elementos cortantes para retirar el desecho de la pieza en el mismo proceso.[1] La mayoría de las máquinas modernas cuentan con controladores lógicos PLC, que controlan todas las etapas del proceso, válvulas, temporizadores, velocidades de las prensas, etc. Estos pueden ser programados para realizar determinadas secuencias en el proceso, además
  34. 34. 23 cuentan con la capacidad de almacenar información sobre los parámetros del proceso utilizados y llevar un registro del comportamiento de la línea de producción.[1] Los avances en las maquinarias buscan conseguir una mayor calidad de los productos termoformados, facilidad de operación y disminución de costos de producción (material o recursos energéticos). Una de las áreas donde se produce mayor investigación es en la etapa de calentamiento; se busca principalmente aumentar la transferencia de calor a la lámina sin aumentar los costos energéticos. Los últimos modelos de termoformadoras cuentan con una zona de calentamiento que disminuye los costos en un 20%, debido a la técnica de calentamiento diferencial aplicada en los elementos de calentamiento superiores e inferiores con los que cuenta el horno. Esta mejora reduce los tiempos de ciclo hasta por varios segundos lo cual implica una mayor producción.[10] Los nuevos diseños de máquinas presentan sistemas de sujeción de las placas del molde que permiten un desmontaje rápido del mismo, así como marcos de sujeción de dimensiones variables que permiten trabajar con láminas de distintas dimensiones, sin tener que cambiar este elemento.[10] Últimamente se ha visto una tendencia a cambiar los sistemas hidráulicos y neumáticos por sistemas eléctricos para mover las placas superiores e inferiores de la prensa y los pistones de asistencia mecánica. Estos sistemas, además de proveer de un mayor control sobre el proceso, permiten obtener una mayor uniformidad en los espesores de las piezas termoformadas. Los sistemas eléctricos presentan variaciones de velocidad lineal de las placas de alrededor de un 5%, valor relativamente bajo comparado con un 50% de los sistemas convencionales, lo que permite una deformación uniforme de la lámina que se traduce en una distribución de espesores de pared mas estrecha.[11]
  35. 35. 24 3.3 MATERIALES TERMOFORMABLES Como se ha descrito anteriormente el proceso de termoformado, involucra el calentamiento, deformación, enfriamiento y corte de láminas de polímero. Para la mayoría de los casos la lámina es considerada como sólido elástico o liquido cauchoso, por lo cual las propiedades elásticas de los polímeros son más importantes que las propiedades viscosas para caracterizar el proceso de termoformado.[1] Alrededor de un 80% de los polímeros utilizados en el proceso de termoformado son amorfos y de estos, la gran mayoría son estirénicos como el poliestireno (PS), poliestireno alto impacto (PSAI), poliacrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) y materiales similares con contenido de estireno. Asimismo, la mayoría de los polímeros utilizados en termoformado no contienen cargas o refuerzos, ya que estos componentes reducen la capacidad de formación de la lámina y por lo tanto, se limitan sólo a aplicaciones de poca profundidad o en procesos de termoformado por presión.[1] El rango de temperatura en el cual el polímero puede ser deformado para adquirir la forma deseada se denomina ventana de procesamiento. Normalmente, los polímeros amorfos presentan ventanas de procesamiento más amplias que los materiales semi-cristalinos, cuyas temperaturas de procesamiento se limitan a sólo unos grados por debajo de su temperatura de fusión. Debido a la necesidad de calentar y luego enfriar la lámina, es necesario tomar en cuenta las propiedades térmicas de los materiales a procesar, siendo las más importantes, el calor específico, la conductividad térmica y la expansión térmica.[1] A continuación en la Tabla 3.2 se presentan los valores de las propiedades térmicas de algunos materiales termoplásticos comunes. Para fines comparativos, se introducen además, los valores típicos para ciertos materiales de uso común en la elaboración de moldes.
  36. 36. 25 Tabla 3.2: Propiedades térmicas de materiales termoplásticos y ciertos materiales de uso común.[6] Densidad Conductividad térmica Calor específico Expansión térmica Material (g/cm3) (10-4cal/s cm ºC) (cal/g ºC) (10-6/ºC) ABS 1,05 2–3 0,5 60 – 130 PS 1,05 3 0,5 50 – 83 PMMA 1,20 4–6 0,56 50 – 90 PC 1,20 4,7 0,5 68 PVC 1,35 3,5 – 5 0,6 50 – 100 PP 0,90 2,8 0,9 81 – 100 PEAD 0,96 11 – 12 0,9 59 – 110 PTFE / FEP 2,20 6 0,3 70 – 140 Nylon-6 1,12 5,8 0,8 80 – 83 Nylon-66 1,13 5,8 0,75 80 PET 1,35 3,3 – 3,6 0,45 65 Aluminio 2,68 3000 0,23 19 Bronce / Cobre 8,80 4500 0,09 18 Níquel 8,90 2200 0,112 13 Acero 7,90 880 0,11 11 Madera (Arce) 0,45 3 0,25 60 Yeso 0,90 – 1,10 7,2 0,26 10 Al-epoxi 1,70 20 – 40 0,3 45 Aleación de Zn 6,70 2500 0,10 27 El calor específico de un material se refiere a la energía requerida para incrementar la temperatura del polímero. Este valor es mucho más alto para materiales semi-cristalinos, ya que la cantidad de energía requerida para aumentar la temperatura a un valor determinado es mucho mayor que la necesaria para calentar un material amorfo a esta misma temperatura. La conductividad térmica se refiere a la capacidad del material para transferir energía a través de la lámina. En general los valores de conductividad térmica para compuestos orgánicos, incluyendo los polímeros, son de varios órdenes de magnitud menor que para materiales metálicos. La densidad es una propiedad característica del material y tiene una marcada dependencia con la temperatura, debido al fenómeno de expansión térmica típico de los polímeros. Al aumentar la temperatura, el polímero tiende a aumentar su volumen, disminuyendo su densidad.[1]
  37. 37. 26 3.4 DISEÑO DE PIEZAS PARA TERMOFORMADO El diseño de una pieza termoformable consiste en un proceso de varias etapas en donde se busca transformar los recursos disponibles (materiales, maquinarias, equipos, capital, tiempo, etc.) en productos que satisfagan ciertas necesidades establecidas en el mercado. Para iniciar un proyecto de producción de cualquier pieza plástica, primero se debe establecer la necesidad que se tiene de dicha pieza en el mercado. Mediante un estudio de mercado se pueden establecer los volúmenes de producción de acuerdo a la demanda y los requerimientos esenciales establecidos por los consumidores.[1,5,6] El siguiente paso consiste en la conceptualización del diseño, para esto es necesario realizar un estudio detallado sobre las condiciones de uso a las que va a estar sometida la pieza (temperaturas, esfuerzos, luz, agentes externos, etc.) de forma de asegurar que el diseño propuesto cumpla con los requerimientos establecidos. Asimismo, se debe escoger un material que cumpla con estos requerimientos y que a su vez minimice los costos de producción.[5,6] Hay que tomar en cuenta que el proceso de termoformado tiene ciertas limitaciones que podrían afectar adversamente la funcionalidad de la pieza. A continuación se presentan algunas razones por las cuales no se podría utilizar el proceso de termoformado para una pieza particular:[1] • No es posible extruir el material seleccionado en láminas. • Pandeo excesivo de la lámina a las temperaturas de procesamiento. • No es posible deformar la lámina para obtener la geometría deseada. • Requerimientos de la pieza que demandan el uso de polímeros altamente reforzados. • Tolerancias y ángulos demasiado estrechos para termoformado. • Se requieren espesores de pared uniformes.
  38. 38. 27 Otros aspectos que hay que tomar en cuenta para el diseño de la pieza son la contracción y expansión térmica del material, los ángulos de desmoldeo y las tolerancias dimensionales. La contracción de la pieza está asociada a la etapa de enfriamiento, en donde al disminuir la temperatura del material su densidad aumenta produciendo una disminución del volumen de la pieza. Si a la pieza se le permite un enfriamiento lento, sin restricciones de movimiento por parte de la superficie del molde, esta presentará una contracción uniforme en todas las dimensiones de aproximadamente un tercio del cambio de la densidad del polímero o del volumen. Sin embargo, si la pieza se mantiene oprimida en contra de la superficie del molde puede no ocurrir una contracción uniforme en todas las direcciones. Mientras mas rápida sea la disminución de temperatura del polímero hay menos probabilidades de que las moléculas pueden regresar a su estado original.[1] La contracción del material restringida por la superficie del molde puede ocasionar problemas de alabeo y distorsión, así como variaciones en las dimensiones entre las piezas producidas. La orientación de la lámina también puede generar contracción no uniforme en las piezas, la cual usualmente es mayor en el sentido de la máquina que en la dirección transversal.[1] La lámina de material tiende a contraerse hacia las áreas positivas del molde (machos) o fuera de las cavidades presentes en la superficie del mismo, por lo tanto es necesario incluir ángulos de desmoldeo en el diseño para poder retirar las piezas del molde luego de haberse enfriado. Mientras mayor sea el ángulo de desmoldeo más fácil será remover la pieza del molde, los valores típicos para piezas producidas en moldes negativos (hembra) van desde 0º a 2º, siendo mayores para polímeros amorfos. Para moldes positivos (machos), los ángulos de desmoldeo típicos van de 1º a 5º, siendo 4ª el valor de ángulo más comúnmente utilizado. Para polímeros semicristalinos producidos con moldes positivos, el ángulo de desmoldeo debe ser mayor que para polímeros amorfos.[1,6] Para el diseño de la pieza también hay que considerar la expansión térmica o contracción lineal de la pieza bajo condiciones finales de uso; la variación en las dimensiones puede ser de 5 a 10 veces mayor que la de los materiales metálicos. Esta propiedad del material es crítica cuando
  39. 39. 28 se está diseñando una pieza que es parte de un ensamble no metálico (engranajes, topes, pasadores, etc.).[1] La variación de tolerancias dimensionales, se debe principalmente a factores geométricos o de procesamiento. La distribución de espesores local ésta relacionada fuertemente con la geometría de la pieza y con los métodos utilizados para redistribuir el material como el calentamiento por zonas o formado asistido mecánicamente. Entre los parámetros de procesamiento que afectan la distribución de espesores se encuentran la orientación de la lámina y la variación de espesores iniciales de la misma, ciclo de los elementos de calentamiento, variaciones de temperatura de la lámina al momento del formado y ciclo de temperatura del molde. Para la mayoría de los procesos tradicionales de termoformado se obtiene una variación de espesores de pared de alrededor de 20%, mientras que la variación para piezas de baja tolerancia no debería ser mayor a 10%.[1,5] Debido a la distribución no uniforme de espesores, las piezas presentan un campo de esfuerzos no uniformes que pueden quedar como esfuerzos residuales en la pieza, si ésta se enfría rápidamente. Este efecto puede verse amplificado por perfiles de temperatura no uniformes tanto de la lámina como de la superficie del molde. Este campo de esfuerzos no uniforme produce una distorsión de la pieza a largo plazo producto de la contracción desigual por la relajación de esfuerzos a través del tiempo.[1] Debido a la amplia gama de geometrías que se pueden producir por diversos métodos de termoformado, a continuación sólo se presentan guías generales para el diseño de piezas termoformables: [1] • Las piezas con amplios ángulos de desmoldeo son más fáciles de retirar de la superficie del molde al finalizar el enfriamiento. • Deben evitarse bordes y esquinas agudas, estos deben ser redondeados ya que podrían causar la ruptura de la lámina. En la Figura 3.11 puede observarse esta modificación del diseño. • Piezas con ángulos menores a 90º tienden a ser frágiles sin importar el material con que fueron producidas.
  40. 40. 29 • Para el termoformado con vacío, el radio de curvatura mínimo en los bordes o esquinas debe ser mayor que el espesor local de la lámina. • Un radio de curvatura cuatro veces mayor que el espesor local de la lámina puede ser formado sin problemas con la mayoría de los materiales termoplásticos. Se pueden obtener menores radios de curvatura a mayor temperatura del molde y ciclos de formado más rápidos. • Nervios, corrugados y filetes pueden ser utilizados para rigidizar las paredes del artículo. Para piezas con gran área superficial se suelen utilizar nervaduras concéntricas, radiales o combinaciones de éstas. • Ranuras en paredes verticales de piezas producidas en moldes negativos, deben ser paralelas al plano de la lámina. Figura 3.11: Modificación de esquinas y bordes para el diseño de piezas termoformables: a) Diseño original. b) Diseño con esquinas y bordes redondeados. 3.5 MOLDES PARA TERMOFORMADO Los moldes para termoformado deben ser capaces de producir piezas que cumplan con todos los requerimientos del cliente. Para esto es necesario que esté provisto de una superficie dimensionalmente estable, en la cual se formen los artículos con la geometría deseada, actuando además como un intercambiador de calor para enfriar las piezas de una manera eficiente. Debe permitir que el aire residual de la cavidad pueda ser removido con facilidad a través de canales de vacío de forma controlada. Otra característica importante es que debe ser lo suficientemente fuerte para soportar numerosos ciclos de formado a presiones y temperaturas de procesamiento,
  41. 41. 30 sin importar que esté en contacto con gases corrosivos provenientes de ciertos polímeros o esté sujeto a desgaste por cargas o refuerzos.[1] Para la producción de moldes para termoformado son utilizados distintos materiales, siendo los más utilizados el aluminio, el acero, la madera y las resinas epóxicas. La selección del material depende en gran medida de la severidad y tiempo de servicio requeridos; si la producción es pequeña y el material puede ser deformado a relativamente bajas temperaturas y presiones, se pueden utilizar la madera y resinas epóxicas. En cambio si se requiere de altos volúmenes de producción o de grandes presiones para obtener la geometría de la pieza deseada, se recomienda el uso de moldes de aluminio o acero. La selección del material depende también de factores económicos, facilidad de producción, reparación y mantenimiento, requerimientos de almacenaje, disponibilidad del material y peso del molde. [6,17] Para la producción de prototipos se utiliza principalmente la madera debido a su bajo costo, facilidad de maquinado y disponibilidad, sin embargo, tiene la desventaja de presentar baja estabilidad dimensional y de sufrir resquebrajamientos por la variación de temperaturas. Se pueden utilizar resinas cargadas con virutas de madera (fórmica) de mediana densidad, ya que presenta una excelente maquinabilidad y además, al ser un material poroso se puede realizar el vacío a través de toda la superficie del molde sin necesidad de realizar canales de vacío, tal como se muestra en la Figura 3.12. Cuando es necesario producir piezas con gran área superficial, se utilizan comúnmente resinas termoestables como poliéster termoestable y resinas epóxicas reforzadas con fibra de vidrio. [1] Figura 3.12: Representación esquemática de un molde prototipo realizado con fórmica porosa de mediana densidad.[1]
  42. 42. 31 Para los moldes de producción en serie el material preferido es el aluminio debido a su alta conductividad térmica, facilidad de maquinado y bajo peso de los moldes. Técnicas modernas de maquinado asistido por computadora permiten utilizar este material incluso en piezas de geometrías complejas y pequeñas dimensiones. El vaciado en arena o en cerámica de alta precisión sólo debe ser considerado si el maquinado de la superficie del molde resulta económicamente desfavorable; además hay que tomar en cuenta que para este proceso se debe fabricar el modelo para el vaciado. El acero es recomendado para moldes que contienen elementos cortantes por su alta rigidez y durabilidad, además por su alta estabilidad dimensional es una ventaja utilizar acero cuando se requieren separaciones de apenas micrones entre las mitades del molde para efectuar el corte de la pieza in situ.[5] Existen ciertos materiales en el mercado, como el ESPOR® de la compañía suiza Portec, elaborados específicamente para la fabricación de moldes para termoformado; estos materiales consisten en una matriz de resina epóxica cargada con polvo de aluminio. Estos poseen una estructura porosa, por lo cual la extracción de aire se hace a través de toda la superficie del molde sin necesidad de realizar agujeros de vacío, obteniéndose un mejor acabado de la pieza formada. Al aplicar succión este material exhibe propiedades térmicas comparables con el aluminio debido a que su estructura consiste en un 15% de aire por unidad de volumen. Otras ventajas al utilizar este material son: [5,18] • No hay limitaciones en cuanto al tamaño del molde a realizar. • Mejor acabado superficial, texturizado, detalles y tolerancias debido a los innumerables puntos de vacío. • Los moldes realizados con Espor® son un 36% más livianos que los de aluminio. • Pueden ser fácilmente maquinados, reduciendo el tiempo de producción de los moldes. • Desgaste similar al Aluminio. • Posibilidad de termoformar superficies con salientes debido a la naturaleza multidireccional del vacío aplicado. Al diseñar moldes para termoformado se deben tomar en consideración ciertos elementos como los sistemas de refrigeración, canales de vacío y textura superficial. La refrigeración de moldes de aluminio se realiza usualmente mediante canales de refrigeración a cierta distancia de
  43. 43. 32 la superficie, lo cual es posible gracias a la alta conductividad térmica del material. En algunos casos se diseñan moldes sin canales de enfriamiento que van montados directamente sobre placas completamente refrigeradas. Lo importante a la hora de diseñar el sistema de refrigeración es asegurar que la temperatura de la superficie del molde se mantenga constante durante la etapa de formado.[1] La evacuación de aire controlada del molde es un factor determinante en la calidad de la pieza. Normalmente, el sistema de evacuación o vacío consta de agujeros taladrados directamente en la superficie del molde, que se conectan a canales de vacío que dirigen el flujo de aire hacia la cámara de presión, ésta última está acoplada al compresor por mangueras. Los agujeros de vacío normalmente son colocados en esquinas y bordes de la geometría de la pieza, ya que estos son los últimos puntos en formarse; también se colocan en áreas elevadas de difícil formado (logotipos, particiones, etc.). Para el vacío también pueden ser utilizadas ranuras, sobre todo en moldes negativos que posean elementos salientes en su interior. El diámetro, o ancho en el caso de ranuras, de los orificios de vacío, no debe ser mayor al espesor local de la lámina de material para evitar marcas en la superficie de la pieza.[1,6] Para mejores resultados se recomienda el uso de superficies lijadas de los moldes. Si la superficie es demasiado lisa o pulida, porciones de aire pueden quedar atrapadas entre el molde y el material lo cual provocaría inclusiones de aire, marcas circulares o en forma de olas en la superficie de la pieza; si en cambio la superficie es demasiado áspera, se dificulta el deslizamiento de la lámina y se obtienen piezas con pobre acabado superficial. Para mejorar la distribución de espesores de la pieza, se puede utilizar un molde con diferentes acabados en distintas zonas, así se puede aumentar la fricción entre el material y el molde en las zonas donde es necesario una mayor cantidad de material.[5] Normalmente, las piezas con texturas se obtienen a partir de moldes con superficies texturizadas y láminas lisas, sin embargo, existen situaciones donde la textura no se puede aplicar mediante el molde sino que deben ser utilizadas láminas texturizadas. Esto ocurre cuando se requiere que la textura se encuentre en la superficie de la pieza o cuando por la complejidad del diseño de la pieza la textura no pueda ser aplicada uniformemente a la lámina.
  44. 44. 33 3.6 HERRAMIENTAS CAD/CAE/CAM La industria del plástico se ha visto favorecida recientemente por el creciente uso de herramientas de computación en áreas de diseño, prototipado, control de procesos, simulación de procesos y construcción de moldes. En la actualidad existe una tendencia hacia la automatización de la industria y optimización de los procesos, para obtener mayor calidad de los productos con mayor rendimiento económico. A continuación se detallan algunos de los campos donde la informática ha tenido mayor aceptación en la industria: 3.6.1 Diseño de piezas y moldes En la actualidad existen numerosas herramientas de Diseño Asistido por Computador (CAD) para el diseño de sólidos en tres dimensiones, entre las cuales se pueden mencionar los programas Design Wave®, PRO/Desktop®, PRO/Engineer®, Mechanical Desktop®, Vellum Solids® y SolidWorks®. En estos programas es posible crear una representación gráfica de la pieza en tres dimensiones que permite visualizar todos los aspectos del diseño propuesto desde cualquier ángulo. Además, cuentan con diversas funciones que permiten al usuario añadir componentes prediseñados y adaptarlos a su diseño, así como funciones de extrusión y proyección de perfiles, redondeado, revolución de sólidos, etc. Permiten además, obtener información sobre el modelo de forma rápida y sencilla: medidas, masa, componentes, ensamblaje, etc.[19] Al estar basados en tecnología paramétrica, es posible realizar modificaciones en los parámetros de los elementos (medidas, inclinación, profundidad, grosor, etc.) y verlos reflejados inmediatamente en el modelo, lo cual permite corregir rápidamente algún defecto en el diseño de la pieza.[19] A partir de los modelos se pueden exportar archivos en distintos formatos con la información geométrica de la pieza. Estos archivos son el punto de partida para sistemas de Manufactura Asistida por Computador (CAM) e Ingeniería Asistida por Computador (CAE).[20]
  45. 45. 34 El formato estándar utilizado en la industria es la estereolitografía o archivo STL, que consiste básicamente en un listado de coordenadas x, y y z que describen un sistema de elementos triangulares conectados que forman el contorno del modelo, tal como se muestra en la Figura 3.13. La información sobre la normal de cada triángulo es también incluida en el archivo. El usuario puede seleccionar varias características de exportación para la creación del archivo STL tales como: el factor de escala, la tolerancia general y las tolerancias cordal y angular que determinan respectivamente, la distancia entre un punto de un elemento y su contraparte en la superficie teórica y la desviación angular entre las normales del elemento triangular y la superficie. Básicamente, al disminuir las tolerancias se crean representaciones más precisas del modelo con un mayor número de elementos, pero a su vez, se incrementa el tamaño del archivo generado.[20] Figura 3.13: Representación de modelos mediante un sistema de elementos triangulares utilizada en el formato STL.[21] 3.6.2 Elaboración de prototipos y moldes Cada día se hace mas común el uso de herramientas CAM en la elaboración de prototipos de piezas y moldes, así como en moldes de producción, debido a que se obtiene una mayor precisión en los procesos de elaboración y se acorta el tiempo de producción, disminuyendo costos. Uno de los métodos más utilizados para la elaboración de moldes es el mecanizado por máquinas con centro de control numérico (CNC), que consiste en el uso de equipos que cuentan con procesadores lógicos a los cuales se le alimenta una secuencia de pasos a seguir, con la posición en el espacio de las herramientas de corte a través del tiempo. Este código de secuencias se genera a partir de archivos CAD en donde se especifica la geometría de la
  46. 46. 35 superficie deseada, por medio de paquetes informáticos de manufactura asistida por computador, como el PRO/Engineer®.[16] Otras herramientas CAM utilizadas son cortadores multiaxiales controlados por CNC, sobretodo para piezas formadas por procesos de termoformado de lámina gruesa. También se utilizan Máquinas de Medición de Coordenadas (CMM) que consisten en equipos que registran coordenadas superficiales en el espacio con respecto a un punto de origen pre-establecido para luego definir el contorno de un modelo tridimensional por medio de programas de computadoras, estos son utilizados ampliamente en procesos de control de calidad para medir la contracción real de las piezas, variación de espesores y en general cualquier variación en las dimensiones de las piezas producidas.[16] Una tecnología que está en crecimiento es el prototipado rápido; el desarrollo de nuevos productos utilizando esta tecnología permite al diseñador evaluar la estética, funcionalidad, conceptos, ensambles y costos antes de producir el molde disminuyendo los gastos de producción y el tiempo necesario para lanzar el producto al mercado.[22] Aunque existen diferencias entre los procesos y los materiales usados, el principio utilizado es similar, este involucra el corte en secciones transversales de un archivo CAD tridimensional para llevar la información del contorno a dos dimensiones, la cual se utiliza para colocar el material de construcción capa por capa, desde el fondo hacia arriba, replicando la geometría del modelo original.[23] El primer sistema desarrollado, la estereolitografía (SLA), consiste en la construcción del objeto dirigiendo un rayo ultra violeta controlado por computador sobre un tanque que contiene resina líquida fotosensible. Cuando el rayo incide sobre la superficie con el fotopolímero éste se solidifica, luego se sumerge nuevamente en el baño de resina y se repite el proceso de radiación para construir el modelo capa por capa. Debido a que cada capa tiene un espesor de 0,001 pulgadas pueden obtenerse superficies detalladas sumamente precisas.[23]
  47. 47. 36 El sinterizado láser selectivo (SLS) es una técnica de prototipado rápido que construye objetos a partir de una cama de polvo fino que es sinterizado por medio de un rayo láser que recorre la cama. El polvo puede ser plástico, plástico recubierto con metal o partículas cerámicas finas. Otra técnica utilizada comúnmente es la deposición de material fundido para modelamiento (FDM), que consiste esencialmente en una pistola de adhesivo de acción en caliente de alta tecnología, montada en un mecanismo de impresión bidimensional, la cual extruye pequeños filamentos de material que se enfrían una vez depuestos para formar cada capa del modelo.[23] Los nuevos modelos de máquinas prototipado rápido son impresoras de tres dimensiones aptas para hacer modelos de una manera rápida y sencilla, que utilizan el principio de inyección de tinta para depositar pequeñas gotas de material en capas sucesivas. Estos sistemas fueron desarrollados para operar en ambientes de oficina y requieren de un entrenamiento mínimo. La resolución de detalles y las propiedades de los materiales utilizados con estos equipos están mucho más limitados que con otros procesos de prototipado rápido; sin embargo, son alrededor de 10 veces más rápidos y cuestan alrededor de un tercio de estos.[23] 3.6.3 Optimización del proceso Existen muchas formas de optimizar el proceso de termoformado, sin embargo la correcta determinación de los parámetros de procesamiento es aún un procedimiento experimental basado en la experiencia. Usando herramientas CAE se pueden explorar distintas posibilidades de optimización sin necesidad de desperdiciar tiempo de producción de los equipos, material y dinero en costosos experimentos. El modelado del proceso permite predecir la dependencia de la calidad de la pieza final con las condiciones de operación, propiedades del material, maquinado y diseño del molde. El uso de esta tecnología también es importante en la reducción de tiempos de puesta en marcha de las líneas de producción y de maquinado de los moldes.[15, 24] Los programas existentes de simulación pueden modelar altas deformaciones o el efecto que tienen los bordes afilados o radios de curvatura en las esquinas de un molde; los resultados pueden ser luego alimentados a programas de análisis estructural por métodos finitos para determinar si la lámina utilizada cumple con los requerimientos mecánicos necesarios para
  48. 48. 37 formar la pieza deseada. Las simulaciones también sirven de guía para modificar el diseño del molde, el espesor inicial de la lámina y calentamiento de la misma para optimizar el uso o prevenir fallas del material. Modelos de transferencia de calor muestran el enfriamiento de la pieza, permitiendo predecir o minimizar el tiempo de ciclo.[25] La simulación del proceso se realiza a partir de un modelo CAD tridimensional del molde o pieza que se importa al paquete de simulación o puede ser generado utilizando los módulos de dibujo incluidos en los programas. Luego, el programa requiere al usuario introducir los datos referentes al comportamiento del material, normalmente incluidos en la base de datos del mismo, así como parámetros de procesamiento de la máquina termoformadora virtual, tales como, comportamiento de la zona de calentamiento, movimiento de la lámina, movimiento de las partes del molde, velocidad de enfriamiento del molde y presión de aire utilizada. Una vez definidos los parámetros de procesamiento, material y modelos de las partes del molde, el paquete de simulación crea una malla de elementos finitos de las herramientas de procesamiento y de la lámina, la cual se deforma de acuerdo a modelos viscoelásticos predefinidos en el programa, tal como se muestra en la secuencia presentada en la Figura 3.14.[25] Figura 3.14: Secuencia de formado obtenida mediante la simulación del proceso de formado negativo asistido mecánicamente por pistón.[21] Los modelos viscoelásticos del material comúnmente utilizados por este tipo de programas son los K-BKZ, ya que estos arrojan mejores resultados que modelos puramente elásticos para situaciones específicas del proceso de termoformado como el pandeo de la lámina o el asistido mecánico por pistones, esto se debe a que en los modelos elásticos no se toma en cuenta la dependencia del esfuerzo con la historia de deformación del material.[15]
  49. 49. 38 A continuación se presentan las ecuaciones constitutivas generales del modelo viscolelástico no lineal con dependencia del tiempo (K-BKZ), utilizado por estos paquetes de simulación, éste puede incluir ciertas modificaciones dependiendo del criterio de la casa fabricante.[26] t σ (t ) = ∫ µ (t − t ′) ⋅ h(I 1 , I 2 ) ⋅ B(t , t ′)dt ′ ˆ (5) −∞ Donde: σ (t ) : Tensor de esfuerzos ˆ µ (t − t ′) : Función de memoria de tiempo. h(I 1 , I 2 ) : Función de las invariantes de esfuerzo I1 e I2. B (t , t ′) : Tensor de deformación de Finger. Todos los programas reportan resultados gráficos en forma de mapas cromáticos, donde se indican con degradación de colores, la distribución de espesores, la relación de deformación local o los gradientes de temperatura de la pieza. Muchos de estos paquetes también permiten retroceder en la secuencia de descripción del proceso hasta llegar a la lámina original, marcando los lugares donde se presentarán puntos delgados durante la termoformación, de tal manera que el usuario pueda modificar el patrón de calentamiento de la lámina para mejorar la distribución de material en la pieza.[25] La capacidad de simular deslizamientos o fricciones de la lámina cuando entra en contacto con el molde o el contra molde es otra característica útil al momento de optimizar la forma y el movimiento de los contra moldes. Hay que notar, sin embargo, que la exactitud de los resultados depende fuertemente de la información sobre los coeficientes de fricción de la lámina introducidos; si la fricción entre la lámina y el molde que se emplean en la simulación es diferente a la real, la distribución de espesores obtenidas con el molde fabricado será diferente a la propuesta por el programa de simulación. Algunos paquetes de simulación cuentan con módulos de contracción y deformaciones que predicen cuales serán las dimensiones finales, los esfuerzos residuales en la pieza termoformada y las distorsiones dimensionales que se presentarán, sin embargo, la exactitud de estos cálculos está comprometida por la calidad o desempeño del modelo del material utilizado o por la resolución del modelo CAD utilizado si éste no cuenta con un suficiente número de elementos de malla.[25]
  50. 50. 39 3.7 ANTECEDENTES En una monografía escrita en 1986 por J. L. Throne se establecieron dos campos principales donde las matemáticas podrían aplicarse al diseño de productos y procesos, estas áreas se refieren a la predicción del tiempo de ciclo y a la determinación de la distribución de espesores de las piezas termoformadas. En este trabajo se indicó que la predicción del tiempo de ciclo dependía directamente de la transferencia de calor por conducción, convección y radiación que podía ser modelada a través de sistemas de ecuaciones de diferencias finitas (FDE) bien conocidos para la época. La principal limitación de estos programas consistía en la incapacidad de representar la transferencia de calor no uniforme hacia la superficie de la lámina típica de procesos de termoformado de lámina gruesa. La determinación de los espesores era un poco más compleja, los modelos se basaban en la deformación biaxial de membranas clásticas no lineales, simulada por medio de representaciones matemáticas de elementos finitos. En la práctica, la lámina de material era reemplazada por una red bidimensional de elementos triangulares conectados por nodos, los cuales eran matemáticamente manipulados para establecer los campos de esfuerzos y momentos en cada punto. Aunque la matemática involucrada no era muy compleja, las numerosas ecuaciones y la inherente inestabilidad de la técnica, requerían de numerosos computadores para llevar a cabo el proceso. La simulación, sin embargo, presentaba ciertos problemas con moldes machos que podían ocasionar telas de araña (webs) y no manejaban procesos asistidos mecánicamente por pistones.[16] Desde ese entonces, gracias a los avances de la informática y a mejoras en las técnicas de métodos aproximados, las técnicas de simulación se han convertido en una herramienta clave en el desarrollo de nuevos productos en las grandes industrias, reduciendo tiempos de elaboración y costos. El rápido crecimiento de esta tecnología se debe en gran medida a la gran cantidad de recursos invertida en investigaciones y experimentos sobre los parámetros que intervienen en el proceso de termoformado, así como en los modelos utilizados para representar la deformación de la lámina.[16, 25]

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