TERMOFORMADO

El moldeo en caliente comprende varios métodos, todos ellos basados en el calentamiento del material termoplástico y su moldeo posterior por vacío, soplado, o mecánico, ofreciendo diversas combinaciones entre los métodos indicados.

Su gran aplicación se debe a que la maquinaria para el moldeo por vacío, soplado y mecánico es sencilla, compacta y económica. La fabricación de los moldes para el moldeo por vacío es sencilla y resulta barata, sobre todo en la fabricación de artículos grandes, de reducido espesor de pared y de configuración compleja.

Bandejas termoformadas

 Piezas termoformadas de heladeras, autopartes, sanitarios, etc.

El moldeo por vacío se adapta muy bien a la automatización y perfecciona el moldeo por inyección de los materiales termoplásticos. Muchos artículos de material termoplástico, por ejemplo, paneles de revestimiento, puertas y cuerpos de frigoríficos, recipientes de todas clases, etc., se pueden fabricar por termoconformado en caliente.

Con este procedimiento, los gastos en maquinaria y tecnológicos son mínimos. El mayor rendimiento se consigue al moldear artículos grandes de poco espesor y embalajes en moldes de varias cavidades. En la práctica, para moldear artículos de superficie superior a 1 m2 se utiliza únicamente este método. Las desventajas fundamentales son: ciclo de moldeo relativamente largo; calentamiento, moldeo y corte dficultoso de láminas de más de 6 mm de espesor; elevado porcentaje de material sobrante (hasta un 40-50%); materia prima más cara (el material en láminas o películas resulta de un 70 a un 100 % más caro que el material granulado).

El moldeo por vacío de películas en moldes de varias cavidades se lleva a cabo en máquinas lineales y de tambor de acción continua. Tiene interés el uso de estas máquinas para modelar envases pequeños para productos líquidos. La producción de estas máquinas alcanza hasta 10000 unidades/hora.

El moldeo por inyección ofrece gran margen en la elección del tipo de molde y permite, además, el uso de inserciones y relieves de moldeo, moldear roscas y superficies de forma especial. Se obtiene rendimientos muy elevados con material en forma de gránulos, polvo o cinta (elastómeros). Los artículos moldeados no requieren acabado complementario y se distinguen por su buen aspecto exterior y unas dimensiones bastante exactas.

Entre las desventajas del moldeo por inyección se deben destacar el elevado precio de la maquinaria y del utillaje tecnológico, tiempo excesivo que requiere su construcción y montaje y espesor limitado de los artículos a moldear. El moldeo de artículos de pared gruesa requiere mayor tiempo y maquinaria más potente. Por otro lado, existe el peligro de que se formen ampollas y concavidades en los artículos.

La efectividad del moldeo por inyección aumenta considerablemente durante la producción de grandes series, consiguiendo, lógicamente, una rápida amortización de las inversiones.

Para series pequeñas, en la mayoría de los casos, resulta más conveniente el moldeo por termoconformado. Ambos procedimientos son altamente tecnológicos, productivos y prometedores. Debidamente utilizados se complementan ventajosamente.

La producción de una máquina de moldeo por vacío depende principalmente del tiempo necesario para calentar el material y, en menor grado, de la continuación de las operaciones complementarias de manipulación.

Para calentar el material hasta alcanzar el estado de plasticidad necesario, por lo general, se emplean lámparas de radiación infrarroja o calentadores de resistencia. Puesto que los materiales termoplásticos son malos conductores de calor, al fabricar láminas de más de 6 mm de espesor, éstas se calientan simultáneamente por ambos lados con el fin de conseguir un calentamiento más rápido y uniforme y, por consiguiente, una mayor producción.

Cuando el calentamiento se realiza con calentadores de energía radiante, los extremos de la lámina se calientan más despacio que el centro, debido al calor que absorbe el medio ambiente. De aquí, que para conseguir un calentamiento uniforme, la superficie del calentador debe superar la superficie de la lámina y colocarse lo más cerca posible de esta.

Para un calentamiento unilateral de la lámina, se emplea el calentador desplazable.

Mientras en un lado de la máquina se moldea y refrigera el artículo, en el otro se calienta el material.

Termoformadora automática para envases plásticos

Termoformadora para piezas de gran tamaño

Procedimientos

Varios son los procedimientos utilizados actualmente para moldear láminas de material termoplástico

Moldeo en negativo
El moldeo se inicia con el calentamiento de la plancha de material termoplástico. Una vez la plancha ha adquirido la temperatura necesaria, se ciñe al molde mediante la aplicación de vacío. Durante todo el proceso, la plancha queda fuertemente por todo su perímetro mediante unas mordazas. El vacío se aplica por medio de una bomba a través de los canales del molde

Esquema de moldeo en negativo

Moldeo en positivo

En este caso, una vez la plancha se encuentra a la temperatura óptima, se produce un desplazamiento vertical del molde y el artículo queda parcialmente modelado. A continuación, y mientras el material todavía no ha endurecido, el molde comunica con el conducto de vacío modelando definitivamente el artículo.

Esquema de moldeo en positivo

Moldeo por estampado 

Cuando se desea obtener artículos de configuración compleja, la plancha de material termoplástico se puede moldear por estampado, utilizando un molde de dos mitades: una fija y otra móvil. Cuando la plancha se encuentra a la temperatura idónea, es normalmente la mitad superior la que desciende y presiona el material contra la mitad inferior. El material endurece en el interior de los dos contramoldes.

Esquema de moldeo por estampado

El moldeo negativo de artículos profundos suele provocar un adelgazamiento en la zona del fondo y en las esquinas de ángulo agudo. Este defecto se puede reducir practicando un embutido mecánico previo, que irá precedido de un soplado por aire comprimido, si se desea que el espesor del fondo sea igual que el de las paredes, ya que el contacto del macho con el material en esta zona no producirá un estirado normal.

Los mejores resultados se han obtenido creando una almohada de aire entre el macho y la plancha de material, así como creando cierta contrapresión de aire en e molde negativo o en la caja de moldeo por el lado contrario a la plancha. En este caso, al efectuar el embutido de un material previamente reblandecido y adaptado al molde, la superficie exterior de la plancha no toca las paredes frías del molde, y de esta forma se evita el rayado de la superficie exterior del artículo. Este soporte neumático se produce debido a la deformación rápida de la plancha provocada por el descenso de los machos o punzones, con la llave de vacío parcialmente abierta.

Por otro lado, la calidad de los artículos moldeados depende del huelgo entre el sujetador y el borde de la cavidad del molde. Este huelgo, que oscila entre 12,5 y 75 mm, depende de las dimensiones, configuración del artículo a moldear y del espesor de la plancha. El contorno del sujetador corresponde al contorno exterior del molde. Para evitar una pared de espesor desigual, utilizando moldes de varias cavidades, el sujetador deberá cerrar debidamente la plancha de material en cada cavidad del molde.

El punzón o macho se construye de de madera compacta o metal, debiéndose calentar en el último caso. La superficie del punzón representa aproximadamente el 80 % de la superficie de la cavidad del molde, siendo sus contornos análogos para evitar rugosidades en los bordes del artículo y su adelgazamiento en la parte central del punzón. Cuando se utiliza el soporte neumático, la longitud del punzón y la profundidad de la cavidad del molde deberán ser iguales. La velocidad del punzón no deberá ser demasiado grande, ya que resultaría difícil regular exactamente la presión en la cavidad del molde, aún cuando existen válvulas de seguridad. Sin embargo, si la velocidad es pequeña el punzón puede enfriarse antes del final del moldeo. Como orientación se puede tomar una velocidad de 25 mm/seg.

Tipos de máquinas para el termoconformado

Las máquinas de moldeo por vacío se clasifican según la clase, espesor y superficie del material a moldear, por su funcionamiento (periódico o continuo), grado de universalidad y clase de mando (automático, semiautomático y a mano). Pueden ser de una o varias posiciones, tipo revólver y rotatorias. Estas dos últimas, si son de tambor, se utilizan comúnmente para moldear materiales termoplásticos suministrados en rollo.

En este apartado haremos una breve introducción a los tipos de máquinas que históricamente se han utilizado en Fábrica y nos centraremos en el modelo utilizado para realizar los procesos de homologación: la máquina con doble calentador y alimentación automática.

Máquina con horno para el calentamiento

Las primeras máquinas que salieron al mercado no incorporaban sistemas de calentamiento para las planchas. La máquina consistía básicamente en un sistema y otro para la fijación del molde y la plancha. Un sensor indicaba las embuticiones se habían llevado a cabo satisfactoriamente. Por último, unos ventiladores se encargaban de refrigerar la pieza termoconformada.

Era necesario por lo tanto calentar previamente la plancha antes de introducirla en la máquina. Este calentamiento se llevaba a acabo mediante unos hornos que se situaban junto a las máquinas. En estos hornos el calentamiento se efectúa por convección de aire caliente.

Las temperaturas que se deben alcanzar oscilan entre los 160-180 ºC, por lo que los tiempos de calentamiento eran largos. El resto de tiempo de ciclo era también muy elevado.

Dos operarios debían coger la plancha a termoconformar e introducirla en el horno manualmente. Una vez que la plancha había alcanzado la temperatura idónea, se introducía en la máquina donde se moldeaba por moldeo en negativo. Unos ventiladores de encargaban finalmente de enfriar el artículo, que era retirado manualmente por los operarios una vez finalizaba el ciclo de refrigeración.

Además de que el tiempo de ciclo era excesivamente largo, cosa que repercutía en una cadencia de fabricación de piezas baja, esta máquina también originaba que hubiera operarios parados durante mucho tiempo, debido a los tiempos muertos que generaba.

La tendencia fue por lo tanto buscar nuevas máquinas con sistema de calentamiento integrado en las mismas que permitieran reducir ostensiblemente el tiempo de ciclo y por lo tanto aumentar la productividad.

Máquina con resistencias calefactores y de carga manual

La siguiente generación de máquinas incorporó sistemas de calefacción para las planchas.

Dos superficies con resistencias se encargan de calentar la plancha por ambos lados.

El proceso se inicia con la carga manual de la máquina por parte de dos operarios. Un marco desciende y aprisiona el perímetro de la plancha contra el marco. A continuación, el calefactor superior, que se encontraba en una posición posterior para permitir la carga de la plancha, se desplaza sobre ésta. Es en este momento cuando se inicia el ciclo de calentamiento. El operario puede consultar la temperatura a la que se encuentra la plancha en los controles de la máquina. Este valor se obtiene mediante un pirómetro que mide la temperatura en el centro. En base a su experiencia, el operario finaliza el ciclo de calentamiento cuando se alcanza la temperatura óptima.

A continuación un marco aprisiona la placa en todo el perímetro, y el operario inicia el globo manualmente. Esta operación consiste en insuflar aire a presión en el compartimiento creado entre el molde y la plancha, de tal maneta que esta última se infla.

A continuación el molde asciende, y se inicia el moldeo del artículo, que concluye con la aplicación de vacío a través de los canales del molde. Se aplica vacío durante varios segundos, y se inicia la refrigeración del artículo. Finalmente, se insufla aire a presión durante un instante para despegar la pieza del molde, y se retira manualmente.

El calentamiento en estas máquinas, se efectúa mediante resistencias infrarrojas. Cada superficie calefactora está dividida en varias resistencias, que se pueden graduar en intensidad. De esta manera podemos calentar la plancha por sectores, aportando más temperatura en aquellas zonas donde sea necesario debido a la geometría del artículo a termoconformar. Esta configuración se puede llevar a cabo en la pantalla de controles de la máquina.

Esta máquina tiene la ventaja principal respecto a la anterior en el sistema de calentamiento integrado de la plancha. No obstante, todavía existe la necesidad de la presencia de dos operarios que introduzcan la plancha en la máquina y luego retiren el artículo termoconformado.

Máquina termoconformadora de alimentación manual

Máquina termoconformadora automática Con la finalidad de aumentar la cadencia de fabricación de piezas y reducir el personal necesario, aumentando así la efectividad, aparecieron las máquinas automáticas. En este caso, únicamente es necesario introducir los parámetros de trabajo y a continuación la máquina trabaja sola.

La principal novedad respecto a la versión anterior es la incorporación de un alimentador automático que sustituye a los dos operarios que deberían cargar manualmente la plancha.

Se introduce el palet con las planchas en el interior del alimentador, y dos centradores se encargan de posicionarla correctamente. A continuación un brazo con ventosa coge la primera plancha del alimentador y la coloca sobre el marco de la máquina de termoconformar.

Alimentador automático

Una vez la plancha ha sido posicionada sobre la el marco de la máquina, baja un segundo marco de sujeción que aprisiona todo el perímetro de la plancha y asegura la creación de vacío en la cavidad creada por el molde y la plancha.

A continuación, los dos calefactores, uno superior y otro inferior, se desplazan sobre la plancha, y se inicia el ciclo de calentamiento. El ciclo de calentamiento dura hasta que se alcanza la temperatura programada. Cuando esto sucede, los calefactores se retiran hacia atrás y el ciclo de calefacción se da por terminado. Del mismo modo que en el caso anterior, los calefactores está subdivididos de tal manera que se puede programar la intensidad de calefacción por zonas. No obstante, los calefactores en este caso no son resistencias, sino lámparas flash, que proporcionan un calentamiento más rápido todavía del material.

Máquina termoconformadora con calefactores de lámparas flash

Es en este momento cuando se inyecta aire para inflar la plancha, que ya se encuentra en estado moldeable. A continuación el molde asciende y mediante la aplicación de vacío se realiza el moldeo del artículo. La aplicación de vacío persiste mientras se inicia el ciclo de enfriamiento. Durante el enfriamiento se aplican chorros de aire mediante ventiladores, que contienen pequeñas gotas de agua, y que ayudan a enfriar más rápidamente el material.

Ventilador con sistema de aporte de agua

Cuando finaliza el ciclo de refrigeración, se desmoldea la pieza mediante la aplicación de aire a presión, y ésta queda libre sobre el molde. Es entonces cuando el brazo con ventosas que había traído la plancha, la retira de la máquina.

Este tipo de máquinas son muy eficientes, ya que permiten reducir drásticamente el personal necesario en el proceso. El tiempo de ciclo es menor, ya que tanto el calentamiento como la refrigeración se hacen más rápido, por lo que la cadencia de fabricación aumenta. Además, este tipo de máquinas permite estandarizar el proceso, ya que tras un periodo de estudio y definición, el programa de fabricación queda fijado y cada plancha es termoconformada en exactamente las misma condiciones que la anterior.

Pese a esto, es necesaria la presencia de un operario que verifique que la máquina trabaja correctamente e intervenga en caso de incidencia.

Parámetros del proceso

Durante las pruebas en máquina puede ser necesario modificar los valores de los parámetros de termoconformado. Veamos brevemente en que consiste cada uno de ellos:

- Tiempo de calefacción: tiempo que dura el ciclo de calefacción, desde que los calefactores cubren la plancha hasta que se retiran

- Temperatura de pirómetro: temperatura máxima que alcanzará la plancha, medida en el centro de la misma. Cuando se alcance esta temperatura, finalizará el ciclo de calentamiento y los calefactores se retirarán 

- Tiempo máximo de calentamiento: es otro parámetro que nos permite definir el fin del ciclo de calentamiento. Se puede utilizar en lugar del parámetro Temperatura de pirómetro

- Tiempo de estiraje: tiempo durante el cual se infla la plancha mediante la inyección de aire, generándose el globo

- Tiempo subida molde: tiempo desde que se retira el calefactor y se inicia el globo hasta que empieza a subir el molde

- Tiempo previo de vacío: tiempo desde que el molde está en el extremo superior del recorrido hasta que se inicia el vacío

- Tiempo de vacío: duración del periodo durante el que se aplica vacío al artículo a través de los canales del molde

- Tiempo previo de refrigeración: tiempo desde que se inicia el vacío hasta que saltan los ventiladores

- Tiempo de refrigeración: tiempo durante el cual los ventiladores permanecen encendidos y enviando chorros de aire sobre el artículo

- Tiempo de pulverización: tiempo desde que se empieza a ventilar hasta que se inicia la pulverización de agua

- Tiempo de separación: tiempo que transcurre desde que finaliza el ciclo de refrigeración hasta que se insufla aire para despegar la pieza del molde.