Moldeo por compresión

El moldeo por compresión es uno de los proceso de transformación de plásticos más antiguo que existe. aparece descripto en bibliografía de principio del siglo XIX, aunque no comenzó a desarrollarse a escala industrial hasta 1908, cuando Leo Baeckeland desarrollo las resinas fenol-formaldehido, que siguen empleándose aún hoy en día.

El moldeo por compresión es un método de moldeo en el que el material de moldeo, en general precalentado, es colocado en la cavidad del molde abierto. El molde se cierra, se aplica calor y presión para forzar al material a entrar en contacto con todas las áreas del molde, mientras que el calor y la presión se mantiene hasta que el material de moldeo se ha curado. El proceso se emplea en resinas termoestables en un estado parcialmente curado, ya sea en forma de pellets, masilla, o preformas. El moldeo por compresión es un método de alta presión, adecuado para el moldeo de piezas complejas, de alta resistencia con refuerzos de fibra de vidrio. Los compuestos termoplásticos, aunque en menor medida, también pueden ser moldeados por compresión con refuerzos de cintas unidireccionales, tejidos, fibras orientadas al azar o de hilos cortados. La ventaja de moldeo por compresión es su capacidad para moldear piezas grandes, bastante intrincadas o complejas. Además, es uno de los métodos de más bajo costo en comparación con el moldeo por otros métodos tales como moldeo por transferencia y moldeo por inyección, por otra parte se desperdicia poco material, dándole una ventaja cuando se trabaja con compuestos caros. Sin embargo, el moldeo por compresión a menudo proporciona productos de pobre consistencia y dificultad en el acabado, y no es adecuado para algunos tipos de piezas. En este proceso se produce una menor degradación de la longitud de la fibra en comparación con el moldeo por inyección. Materiales que normalmente se fabrican mediante moldeo por compresión incluyen: sistemas de resina poliéster con fibra de vidrio,  (SMC / BMC), Torlon (Poliamida-imida: PAI), Vespel (Poliamida: PA), Polifenilen sulfuro (PPS), y muchos grados de PEEK.

Moldeo por compresión tiene un alto desarrollo en la fabricación de piezas de materiales compuestos para aplicaciones de reemplazo de metales, se utiliza normalmente para hacer piezas más grandes planas o de forma levemente curvas. Este método de moldeo es muy utilizado en la fabricación de piezas de automóviles, tales como cubiertas, defensas, cucharones, spoilers, así como pequeñas piezas más complejas. El material a ser moldeado se coloca en la cavidad del molde y los platos calientes son cerrados por un pistón hidráulico. El moldeo de compuestos a granel (BMC) y el moldeo de lámina compuesta (SMC) utilizan este método de moldeo, estos compuestos son conformados a la forma del molde por la presión aplicada y se calienta hasta que se produce la reacción de curado. El material para el SMC por lo general se corta para ajustarse a la superficie del molde. El molde se enfría y se retira la pieza. Los materiales pueden ser cargados en el molde, ya sea en forma de pellets o lámina, o el molde se puede cargar desde una extrusora de plastificación. Los materiales se calientan por encima de su punto de fusión, se forman y se enfrían. El material de alimentación se distribuye en forma uniforme en la superficie del molde, la orientación del flujo se produce durante la fase de compresión.

En el moldeo por compresión que hay seis factores importantes que se debe tener en cuenta

·         Determinar la cantidad adecuada de material.

·         Determinar la cantidad mínima de energía necesaria para calentar el material.

·         Determinar el tiempo mínimo necesario para calentar el material.

·         Determinar la técnica de calefacción adecuada.

·         Predecir la fuerza necesaria, para asegurar que el material alcance la forma adecuada.

·   Diseño de molde para un enfriamiento rápido después de que el material ha sido comprimido en el molde.

Matrices termoplásticas son comunes en las industrias de producción masiva, por ejemplo las aplicaciones en automoción, donde las principales tecnologías son termoplásticos reforzados con fibra larga (LFT) y termoplásticos reforzados con fibra “Glass Mat” (GMT).

Definición del proceso

El moldeo por compresión es un proceso de conformación en que se coloca un material plástico directamente en un molde de metal se calienta y luego se ablanda por el calor, y obligado a conformarse con la forma del molde en el molde cerrado.

Características del proceso

El uso de compuestos de plástico termoestable caracteriza a este proceso de moldeo de muchos otros procesos de moldeo. Estos termoestables pueden ser ya sea en forma de pellets o de preformas. A diferencia de algunos de los otros procesos nos encontramos con que los materiales suelen ser precalentado y se cuantifican antes del moldeo. Esto ayuda a reducir el exceso de rebarbas. Insertos, generalmente metálico, también puede ser moldeados con el plástico. Se evitan retenciones en la forma del molde, que generan que la eyección sea especialmente difícil. Se ha vuelto una práctica común precalentar la carga antes de colocarla en el molde; esto suaviza el polímero y acorta la duración del ciclo de producción. Los métodos de precalentamiento incluyen calentadores infrarrojos, calentamiento por convección en estufa y el uso de tornillos giratorios dentro de un cilindro calentado. Esta última técnica (tomada del moldeo por inyección) se usa también para medir la cantidad de la carga.

Esquema del proceso

El moldeo por compresión se inicia, con una cantidad determinada de colocada o introducida en un molde. Luego el material se calienta a un estado maleable y moldeado. Poco después, la prensa hidráulica comprime el plástico flexible contra el molde, dando como resultado una pieza perfectamente moldeada que mantiene la forma de la superficie interior del molde. Después la prensa hidráulica retrocede, un pin eyector en el fondo del molde rápidamente expulsa la pieza final fuera del molde y entonces, el proceso concluye.

Esquema del proceso

Prensa para moldeo de plásticos

Prensa

Las prensas de moldeo por compresión están orientadas verticalmente y contienen dos placas a las cuales se sujetan las mitades del molde. El proceso involucra dos tipos de actuación: 1) carrera ascendente de la placa del fondo o 2) carrera descendente de la placa superior, pero esta última es la configuración más común. Un cilindro hidráulico acciona generalmente las placas, el cual puede diseñarse para suministrar fuerzas de sujeción de hasta varios cientos de toneladas. Las prensas de compresión del molde se fabrican en una amplia variedad de tamaños. La mayoría de las prensas utilizan un cilindro hidráulico con el fin de producir la suficiente fuerza durante la operación de moldeo. Las prensas pueden generar presiones que van desde 300 a 4.000 toneladas. La resina es aditivada con la preforma, (en el caso de SMC y BMC ya contienen todos los componentes, incluida la fibra, resina, cargas, catalizador etc.). El calor y la presión se aplican, con rangos de temperatura de 225°F a 325°F (107°C a 163°C) y 150 a 1.000 psi de presión, necesarios para curar las piezas. Los ciclos pueden variar desde menos de uno minuto a cinco minutos. Las maquinaria constan de un molde “émbolo” macho y un molde hembra y espigas guías que aseguran el encastre perfecto entre ambos.

Moldes

Los moldes para este proceso son generalmente más simples que los de su contraparte, el moldeo por inyección. No hay vertederos o sistemas de alimentación en un molde por compresión y se procesan partes de formas más simples debido a que los materiales termofijos poseen una capacidad de flujo más baja. Sin embargo, se necesitan accesorios para calentar el molde que puede hacerse mediante resistencia eléctrica, vapor o circulación de aceite caliente. Los moldes de compresión pueden clasificarse en moldes manuales usados para corridas de ensayo; semiautomáticos, en los cuales a la etapa de prensado le sigue un ciclo programado, pero el operador carga y descarga manualmente la prensa; y automático el cual opera bajo ciclos de prensado completamente automático (incluyendo la carga y la descarga automática).

Ver "Moldes para compresión"

Materias primas

Las resinas termoestables típico utilizadas en las piezas moldeadas por compresión son poliésteres, poliuretanos, resinas urea-formaldehído, ésteres de vinilo, resinas epoxi y resinas fenólicas. Los elastómeros (ejemplo: cauchos y siliconas) también suelen ser moldeados por compresión. Como se ha hecho mención anteriormente algunos termoplásticos también pueden ser moldeados por compresión, pero por cuestiones de tiempo de ciclo, por lo general se utiliza el moldeo por inyección en estos últimos, salvo el caso de termoplásticos de difícil procesado o bajas cantidades o piezas técnicas.

Las materias primas utilizadas pueden estar en forma de pellets, polvo, liquido, preformas sólidas o en estado semisólido.

Piezas producidas por compresión

Este proceso se utiliza comúnmente para la fabricación de componentes eléctricos, vajilla, y engranajes. Este proceso también se usa para producir botones, hebillas, perillas o manijas, carcasas de aparatos eléctricos y grandes contenedores. Los discos fonográficos de PVC se producían por este método.

Principales aplicaciones:

- Materiales termoplásticos y elastómeros, para piezas de pequeñas dimensiones. 
- Compuestos reforzados con fibras de vidrio (a partir de resinas epoxi, de poliéster, etc.):

1.     BMC (bulk molding compounds): reforzados con fibras de 3-12mm. Ejemplo: cuerpo de taladro eléctrico.

2.   SMC (sheet molding compounds): se sitúan en el molde alternativamente capas de fibras de aproximadamente 25mm y capas de mezcla de resina y otros componentes. Preferentemente utilizado para piezas de gran superficie y pequeño espesor. Ejemplo: paneles para vehículos.

   3.      TMC (thick molding compounds): combinación en capas de BMC y SMC, para placas de gran espesor. 

- (Modificación de la técnica) Estampado de chapas y preformas de termoplásticos (thermoplastics sheet stamping), reforzados con fibras textiles o de vidrio. 

- Ya no utilizada para termoplásticos o utilizado en menor medida (ejemplo: era el método para la producción de discos LP).

Ventajas del moldeo por compresión:

Fluido en pequeñas distancias: menores tensiones internas.

Bajo costo de mantenimiento y de fabricación de moldes.

Diseño sencillo de moldes, al no haber entrada y canales.

Permite moldeo de piezas complejas

Buen acabado superficial (en general)

Desechos de materiales relativamente bajo

Desventajas del moldeo por compresión:

El molde debe mantenerse a temperatura no excesiva, para que las paredes no curen mucho más rápido que el interior. Por tanto, tiempos largos de curado.

No es aconsejable para este método en caso e empleo de moldes de formas complejas

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TECNICA DE MOLDEO POR COMPRESION

En el moldeo por compresión el material, bien líquido, o en forma de polvo, granza o de pastillas preformadas (preformas), se coloca en el molde caliente, y este se cierra lentamente, hasta que las dos mitades del molde ejercen presión sobre el material. Conforme el molde va cerrándose, el material es obligado a ocupar todas las partes de la cavidad de moldeo. En ciertos casos, es ventajoso realizar el moldeo cerrando primeramente el molde casi por completo y abriéndolo después unos segundos antes de aplicar la presión definitiva. De esta forma se deja “respirar" al material, para permitir la evacuación del gas que queda atrapado entre el polvo de moldeo o que es generado en la reacción de polimerización. Una vez que el molde se ha cerrado completamente se aplica la máxima presión, que provoca el llenado final y completo de la cavidad. Bajo la acción conjunta del calor y la presión tienen lugar las reacciones de entrecruzamiento que transforman al material termoendurecible en termoestable, proceso que se conoce vulgarmente como "curado”. Tras el curado se abre el molde y se extrae la pieza totalmente sólida, que solamente alcanza su rigidez definitiva cuando se ha enfriado totalmente. Cuando la pieza tiene forma complicada o grandes dimensiones, es aconsejable colocarla en conformadores después de extraerla del molde, para evitar que se deforme mientras se enfría.

El moldeo por compresión podría definirse de la siguiente forma:

•    Apertura del molde

•    Extracción de las piezas moldeadas en el ciclo anterior

•  Preparación del molde, lo que incluye limpieza del molde y lubricación para facilitar la extracción de la pieza siguiente y colocación de las inserciones metálicas, si las hubiera, y del compuesto de moldeo, bien líquido, en forma de polvo o de pastilla

•    Cierre del molde caliente y aplicación de presión.

•  Apertura del molde para dejarlo "respirar" y permitir la salida de humedad y materias volátiles

•    Aplicación de toda la presión al molde caliente y mantenimiento durante el tiempo necesario hasta que el material haya curado totalmente

•    Extraction de la pieza

La temperatura del molde y la presión aplicada son los factores más importantes del proceso. Además de estas variables, otros factores que influyen en la calidad de las piezas moldeadas por compresión son: el diseño de la pieza que debe moldearse, la velocidad de cierre de la prensa, la plasticidad del material y las condiciones en que se encuentra la superficie de la cavidad de moldeo. Es importante poner en la cavidad de moldeo la cantidad exacta de material que se necesita, pues una cantidad en defecto puede dar lugar a piezas porosas con baja densidad y con malas propiedades mecánicas, mientras que una cantidad en exceso puede dar lugar a excesivas rebabas.

El moldeo por compresión tiene algunas limitaciones, y no es muy aconsejable cuando se trata de moldear artículos de forma muy complicada con resaltes, entrantes o pequeños taladros laterales. Tampoco es aconsejable para moldear artículos de paredes gruesas (1 cm o más). Valores típicos de temperatura del molde, presión de moldeo y tiempo de moldeo para, por ejemplo, una resina fenólica son 150-200 °C, 20000 kg/cm" y 1.5 mm, respectivamente.

Los moldes en moldeo por compresión suelen tener áreas muy elevadas, por lo que las prensas utilizadas deben desarrollar elevadas fuerzas de cierre. La figura siguiente muestra una prensa típica empleada en moldeo por compresión.

Fuentes:
www.mater.upm.es
en.wikipedia.org
Tecnología de los polímeros de Beltrán - Marcilla