lunes, 26 de marzo de 2012

Inyección - soplado

Introducción
El soplado de materiales termoplásticos comenzó a principios de la década del cuarenta. El poliestireno (PS) fue el primer material que se usó en el desarrollo de las primeras máquinas de soplado, y el polietileno de baja densidad (LDPE), el que se empleó en la primera aplicación comercial de gran volumen (un bote de desodorante). La introducción del polietileno de alta densidad (HDPE) y la disponibilidad comercial de las máquinas de soplado, condujo en los años 60 a un gran crecimiento industrial. Hoy en día es el tercer método más empleado en el procesado de plásticos. Durante muchos años se empleó casi exclusivamente para la producción de botellas y botes, sin embargo los últimos desarrollos en el proceso permiten la producción de piezas de geometría relativamente compleja e irregular, espesor de pared variable, dobles capas, materiales con alta resistencia química, etc., y todo ello a un costo razonable.
Básicamente el proceso de soplado está pensado para su uso en la fabricación de productos de plástico huecos; una de sus ventajas principales es su capacidad para producir formas huecas sin la necesidad de tener que unir dos o más partes moldeadas separadamente. Aunque hay diferencias considerables en los diferentes procesos de soplado, todos tienen en común la producción de un precursor o preforma, su colocación en un molde hembra cerrado, y la acción de soplarlo con aire para expandir el plástico fundido contra la superficie del molde, creando así el producto final.

Las etapas del proceso de inyección-soplado comprenden:
1.- Fusión del material plástico
2.- Obtención del precursor o preforma
3.- Introducción del precursor hueco en el molde de soplado
4.- Insuflado de aire dentro del precursor que se encuentra en el molde
5.- Enfriado de la pieza moldeada
6.- Desmolde de la pieza



Etapas del proceso de inyección-soplado

Aproximadamente el 75% de las piezas sopladas se fabrican mediante extrusión-soplado y el 25% mediante inyección-soplado. Dentro de estas últimas el 75% son biorientadas (tensión-soplado). Mediante extrusión-soplado se pueden obtener velocidades de producción muy elevadas y los costes de producción son bajos, sin embargo se producen muchos recortes y el control del espesor de pared y de la distribución de espesores es muy limitado. Mediante inyección-soplado el control de espesor de las piezas es muy bueno y no se producen recortes, sin embargo sólo se puede emplear para piezas relativamente pequeñas y el costo de producción es mucho mayor. Mediante tensión-soplado se obtienen piezas de muy buena transparencia, buenas propiedades mecánicas y de barrera (impermeables a gases), si bien el proceso es más caro que los anteriores.
Maquina de inyección soplado (PROCREA - IBM 220 SpeedLine)
Descripción del proceso
En el proceso de moldeo por inyección-soplado, la cantidad exacta de precursor se inyecta sobre una barra central y todavía fundido se transfiere a la estación de soplado, donde se expande hasta su forma final y se enfría en el molde de soplado.
El método Gussoni es muy empleado por la industria y utiliza una mesa rotatoria horizontal alrededor de la cual se monta la parte positiva del molde del precursor (barra central). En la primera estación, la parte negativa del molde del precursor se cierra sobre la positiva, y los precursores son inyectados por una máquina de inyección convencional. El molde de inyección se abre y el precursor se traslada sobre la barra central hasta la siguiente estación, donde el molde de soplado se cierra alrededor del precursor caliente, y se sopla a través de la abertura que hay en la barra central. Después del enfriamiento, los artículos soplados se retiran del molde. Las figura siguientes representan el proceso global para una máquina de 3 estaciones.


Estación 1 Inyección de la preforma
Estación 2 Soplado de la preforma
Estación 3 Extracción de la pieza

Algunas máquinas de moldeo por inyección tienen una cuarta estación que puede usarse para diferentes propósitos, como el tratamiento superficial del material o etiquetado de botellas después del soplado, el presoplado del precursor antes de la estación de soplado, proporcionar tiempo extra de enfriamiento, inserción de piezas metálicas en la barra central, etc.
Las diferencias entre las máquinas comerciales de inyección-soplado residen básicamente en la disposición de las diferentes estaciones y en la forma en que la barra central es transferida de una estación a otra.

Las ventajas del moldeo por inyección-soplado respecto al proceso de extrusión-soplado son las siguientes:
- El proceso produce artículos totalmente terminados y no se producen recortes
- La alta calidad del moldeo del cuello proporciona una precisión dimensional importante y acabados "aptos para niños"
- Los precursores moldeados por inyección permiten un control preciso del peso y del espesor de la pared
- No hay señal del punto por donde se introduce el perno de soplado en la botella
- Alta productividad

Entre los inconvenientes del moldeo por inyección se encuentra que no puede usarse para producir botellas con asas, y el coste de la maquinaria es mucho más elevado que el del moldeo por extrusión-soplado, ya que la producción de un envase individual requiere un molde de inyección una barra central, y un molde de soplado. Este elevado coste puede compensarse por la alta productividad para envases pequeños, donde el número de cavidades es elevado. Los procesos de inyección no se suelen emplear para producciones cortas o para botellas de un tamaño superior a medio litro.

Por otra parte la cantidad de materiales que se pueden emplear en inyección-soplado es muy superior a la de los que se emplean en extrusión-soplado, pues en este proceso no se requiere una resistencia del fundido elevada. El PET, por ejemplo, que se emplea en botellas de bebidas carbonatadas no tiene un buen comportamiento en extrusión-soplado pero sí resulta adecuado para inyección-soplado. En la actualidad, las botellas de vidrio para medicamentos están siendo sustituidas por botellas de PP o PET obtenidas mediante este proceso.

Hay tres factores importantes implicados en la evaluación de una máquina de moldeo por inyección. El primero es la capacidad de plastificación de la máquina de inyección, además el sistema de cierre de la máquina debe ser suficiente para resistir la presión de llenado y el tercer factor es el tiempo mínimo requerido para realizar los movimientos de los moldes. Esto puede hacerse en un intervalo que va de 1,5 a casi 3 segundos. Todos estos factores deben tenerse en cuenta antes de seleccionar el tipo de máquina adecuado para obtener un producto determinado.

El diseño del precursor en los procesos de inyección es crítico. Puede diseñarse para tener un espesor de pared en el cuerpo del precursor de aproximadamente 1 a 5 mm. La longitud del precursor se diseña de forma que quede un espacio hasta el extremo del molde de soplado de 1 mm, de modo que la tensión que sufra el material en esa dirección al ser soplado sea mínima. El diámetro de la barra central está prácticamente determinado por la dimensión máxima interna final del envase deseado. Para determinar el espesor de la pared del precursor, es necesario saber qué espesor de pared se desea en el artículo final así como el diámetro máximo interior del artículo moldeado.
Envases de PET obtenidos por inyección- soplado

MOLDEO POR TENSIONADO-SOPLADO (STRETCH BLOW MOLDING)
El proceso de tensión-soplado o estirado-soplado se emplea básicamente para producir botellas para bebidas carbonatadas que deben ser impermeables al CO2 y que deben por tanto soportar las presiones que pudieran desarrollarse en su interior (hasta 5 atm) y además poseer muy buena transparencia. La idea de fabricar este tipo de botellas surgió de Coca-Cola, quien había observado que el consumo del producto aumentaba si se vendía en botellas grandes, y en principio comenzó a envasarse en botellas de vidrio de 2 litros. Estas botellas resultaban demasiado pesadas, y por otra parte la crisis del petróleo de los años 70 llevó al desarrollo del proceso de tensión-soplado. Es curioso resaltar que aunque los plásticos se obtienen directamente del petróleo, otros materiales como el aluminio o el vidrio consumen cantidades mucho mayores de petróleo, debido a que son necesarias grandes cantidades de energía durante su procesado.
Estirado-soplado de una preforma
El envase que se pretendía fabricar para Coca Cola (bebida altamente carbonatada que contiene 4 volúmenes de CO2 por volumen de líquido) debía tener una serie de requerimientos importantes. Por una parte debía soportar las elevadas presiones que pueden llegar a desarrollarse en una botella de este tipo sin romperse, ni deformarse, ni sufrir pérdidas de presión. Un bote de este tipo es realmente una vasija de presión, para la que el mejor diseño sería una esfera, lo que no resultaría práctico. La siguiente mejor forma es un cilindro con los cantos semiesféricos. Además, este envase no debía dilatarse en largos periodos de almacenamiento, ni perder la forma, ni el sabor del líquido que contiene, ni el contenido en CO2. Además debía ser altamente transparente. El proceso para fabricar estos envases fue finalmente desarrollado y patentado por DuPont en los años 70, y hasta hace relativamente pocos años sólo se fabricaban botellas mediante este proceso para Coca-Cola.

En el proceso de tensión-soplado se obtiene la preforma mediante inyección, aunque ocasionalmente se puede obtener mediante extrusión. La preforma se templa en un molde muy frío, de modo que se evita que cristalice el polímero. A continuación el polímero debe recalentarse a una temperatura superior a su Tg (temperatura de transición vítrea). Una vez que se alcanza esta temperatura se produce el tensionado de la pieza en las direcciones axial y radial. Para ello, por una parte la barra central de la máquina sobre la que se obtiene la preforma se alarga y simultáneamente se introduce el aire de soplado en la pieza.

Molde para preformas de PET

Preformas de PET


Tras la obtención de la preforma se debe impedir la cristalización del material para evitar que pudieran aparecer zonas opacas, por ello el enfriamiento al que se somete la preforma debe ser muy rápido. Una vez que se obtiene la preforma totalmente amorfa, se calienta a una temperatura ligeramente superior a la Tg (95-100°C para el caso del PET) y se le somete a tensión (estirado), lo que induce a la formación de pequeñas lámelas de cristales-suficientemente pequeñas para mantener la transparencia. Un material procesado de esta forma es mucho más tenaz y resistente que él mismo amorfo o cristalino. El PET es el que presenta una mayor mejora de propiedades debido al tipo y tamaño de los cristales obtenidos al tensionado. Las propiedades barrera (a los gases) y la transparencia de los plásticos también pueden mejorarse mediante la orientación de las moléculas del polímero. El moldeo por tensión-soplado permite normalmente un ahorro mínimo del 10% del peso por envase y superior al 30% en tamaños por encima de un litro para unas mismas propiedades mecánicas.

El polímero que más se emplea en este proceso es el PET. Otros polímeros como PVC, SAN, PAN, nylon o PP también presentan un buen comportamiento en este proceso, sin embargo el PET se emplea, con preferencia, en los millones de botellas de bebidas carbonatadas que se fabrican diariamente.
Hay básicamente dos métodos para obtener piezas mediante tensión-soplado. En el método en dos etapas las preformas se obtienen mediante inyección y se almacenan, y más tarde se recalientan a la temperatura de orientación para tensionadas y soplarlas, como se mostró en la figura anterior. Este sistema en dos etapas es conocido como proceso de recalentado-tensión-soplado. El segundo método es un proceso continuo en el cual los precursores moldeados son inmediatamente acondicionados a la temperatura de orientación y entonces se tensionan y se soplan (proceso en 1 etapa).

Molde para botella de PET
En el caso de las máquinas de tensión-soplado en una etapa el equipo necesario consta de:
- una máquina de inyección, generalmente con husillo plastificador.
- un molde de inyección para obtener la preforma.
- una estación de acondicionamiento.
- una estación de tensión-soplado.
- una estación de desmoldeo.

Estas máquinas ofrecen la ventaja de que son la vía menos costosa de introducirse en el mercado, y que someten al material al menor calentamiento posible. En cuanto a desventajas, es un sistema relativamente lento ya que es el ciclo de inyección quien controla el rendimiento de la máquina y la pieza no puede alcanzar los niveles más elevados de orientación ya que el soplado tiene lugar a una temperatura relativamente elevada.
En el sistema de moldeo por tensión-soplado de dos etapas los precursores se introducen en un homo, sobre un plato que gira a una velocidad de aproximada de 60 rpm a temperatura constante, de modo que la distribución de temperaturas es adecuada. Los precursores a continuación se transportan a la zona de tensión-soplado, donde se soplan en dos etapas (el aire soplado se introduce primero a aproximadamente 200 psi, seguido por 450 psi o más). Por último se llevan a la estación de desmoldeo, se envían a otra zona donde se les ahueca la base y se etiquetan. Las máquinas utilizadas para el sistema tensión-soplado en dos etapas constan de una máquina de inyección convencional, con la que se obtienen las preformas y de una unidad de recalentamiento donde se acondiciona la preforma. se tensiona y se sopla.
Botella para bebida gaseosa obtenida por inyección estirado-soplado
Las ventajas del proceso en dos etapas son:
- Ofrece el coste total más bajo
- Produce las botellas de menor peso
- Los precursores pueden diseñarse para optimizar las propiedades de la botella
- Los precursores pueden producirse en mía etapa independiente y almacenarse, según las necesidades de la producción y la demanda
- Permite la eficacia más elevada de producción tanto de precursores como de botellas

La principal desventaja del proceso de dos etapas es el costo de inversión.



Fuentes:
Tecnología de los polímeros. Marcilla-Beltrán
http://es.wikipedia.org
Metodología aplicada al diseño.Cátedra Galán / FADU – UBA
http://www.preformmoulds.com

http://www.plastover.com.ar

 

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