MAQUINA DE INYECCION DE PLASTICO Cervantes Hernanadez Luis Eduardo
[email protected] Curiel Hernanadez Eduardo
[email protected] Pavia Meza Constantino Israel Lazaro
[email protected] Soto Vazquez Franscisco Eduardo
[email protected] RESUMEN El propósito de la maquina inyectora de plástico es ser capaz de suministrar la materia prima requerida por el usuario al molde el cual debe de tener un sistema de enfriamiento apropiado para que el producto se encuentre en buen estado y no pierda sus propiedades y especificaciones indicadas. Los sistemas que componen a la maquina son: sistema hidráulico, térmico, mecánico, de enfriamiento y de control. Cuando se aplica calor a un material termoplástico para fundirlo se dice que se plastifica. El material ya fundido o plastificado por calor puede hacer se fluir mediante presión y llenar un molde donde el material solidifica y toma forma del molde. Este proceso se le nombra moldeo por inyección. El principio básico de la maquina inyectora comprende las tres operaciones siguientes. v 1.- Elevar la temperatura del plástico a un punto donde pueda fluir bajo la aplicación de presión. Normalmente esto se hace calentando los gránulos sólidos del material hasta formar una masa fundida con una viscosidad y temperatura uniforme. Actualmente, esto se hace dentro del barril de la maquina.
v 2.- Permitir la solidificación del material e el molde cerrado. En esta etapa el material fundido ya plastificado, se transfiere a la parte inferior del cañón o sea a la boquilla, que inyecta hacia los varios canales del molde hasta llegar a las cavidades donde toma la forma del producto final. v 3.- Apertura del molde para la extracción de la pieza. Esto se hace después de mantener el material bajo presión dentro del molde y una vez que el calor es removido para permitir solidificar el material en la forma deseada. En la construcción de la máquina inyectora se tiene en cuenta la siguiente indicación hecha por el cliente. El diseño de la figura y la materia prima que se quiere el producto terminado y de esta forma obtener datos importantes como son, la temperatura de fusión y la viscosidad del material, de esta forma comenzar a calcular y diseñar las partes de la maquina que se mencionan a continuación. El sistema de alimentación encargado de contener la materia prima conservando sus propiedades especificas para obtener los terminados deseados. Sistema de inyección. Consta de un barril (cilindro) de acero capaz de soportar altas presiones, dentro de el se encuentra una barra de acero muy duro, que tiene un movimiento axial para la inyección del polímero. El sistema de calentamiento se calcula para mantener la temperatura del barril constante y uniforme obteniendo una plastificación homogénea del
polímero, esto se realiza colocando resistencias eléctricas tipo banda a lo largo del barril.U N I V E R S I D A D D E G U A D A L A J A R A CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS DEARTAMENTO DE MECANICA ELECTRICA X EXPODIME “FEBRERO 2005” El sistema de moldeado, su diseño y cálculo es muy delicado por la cantidad de accesorios que se tienen que colocar en forma estratégica alrededor de las cavidades destinadas al llenado con polímero. Además, se realizan los mismos puntos para la fuerza con que cierran y abren las platinas. Lo que corresponde al cálculo y diseño del sistema hidráulico es la fuerza y velocidad para que el pistón de inyección se mueva de arriba y abajo. Esto se hace al circular aceite enviado por una bamba que pasa por el motor y diferentes tipos de válvulas que se utilizan para cada uno de los movimientos que se mencionan. El sistema de enfriamiento es diseñado para que la temperatura del molde se mantenga inferior con respecto a la del polímero inyectado, obteniendo una contracción uniforme. Es logrado por la circulación de un líquido que circula por los canales de condicionamiento asegurando el intercambio de calor. El diseño de el sistema de control es con el fin de que la maquina funcione automáticamente, accionando relevadores, temporizadores, interruptores de limite, botones, incluyendo los pistones de cierre del molde, el avance y retroceso del tornillo y el giro del
mismo. Todo esto se realiza por las señales que son mandadas por un controlador programable.
Por ultimo la estructura de la maquina tiene el diseño y calculo con la finalidad de ser segura y estable bajo las cargas ejercidas sobre ella durante el tiempo de uso además de garantizar los movimientos mecánicos que se realizan en ella. Plásticos, materiales polímeros orgánicos (compuestos formados por moléculas orgánicas gigantes) que son plásticos, es decir, que pueden deformarse hasta conseguir una forma deseada por medio de extorsión, moldeo o hilado. Las moléculas pueden ser de origen natural, por ejemplo la celulosa, la cera y el caucho (hule) natural, o sintéticas, como el polietileno y el nylon. Los plásticos se caracterizan por una alta relación resistencia/densidad, unas propiedades excelentes para el aislamiento térmico y eléctrico y una buena resistencia a los ácidos, álcalis y disolventes. Las moléculas lineales y ramificadas son termoplásticos (se ablandan con el calor), mientras que las entrecruzadas son termoestables (no se ablandan con el calor). El desarrollo de estas sustancias se inició en 1860, cuando el fabricante estadounidense de bolas de billar Phelan and Collander ofreció una recompensa de 10.000 dólares a quien
consiguiera un sustituto aceptable del marfil natural. Una de las personas que optaron al premio fue el inventor estadounidense Wesley Hyatt, quien desarrolló un método de procesamiento a presión de la piroxilina, un nitrato de celulosa de baja nitración tratado previamente con alcanfor y una cantidad mínima de alcohol. U N I V E R S I D AD DE GUADALAJARA CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS DEARTAMENTO DE MECANICA ELECTRICA X EXPODIME “FEBRERO 2005” Si bien Hyatt no ganó el premio, su producto, patentado con el nombre de celuloide, se utilizó para fabricar diferentes objetos, desde placas dentales a cuellos de camisa. El celuloide tuvo un notable éxito comercial a pesar de ser inflamable y deteriorarse al exponerlo a la luz. Durante las décadas siguientes aparecieron de forma gradual más tipos de plásticos. Se inventaron los primeros plásticos totalmente sintéticos: un grupo de plásticos termoestables o resinas desarrollado hacia 1906 por el químico estadounidense de origen belga Leo Hendrik Baekeland, y comercializado con el nombre de baquelita. Entre los productos desarrollados durante este periodo están los polímeros naturales alterados, como el rayón, fabricado a partir de la celulosa, del nitrato de celulosa o del etanoato de celulosa. Durante la II Guerra Mundial, tanto los aliados como las fuerzas del Eje sufrieron
reducciones en sus suministros de materias primas. La industria de los plásticos demostró ser una fuente inagotable de sustitutos aceptables. Alemania, por ejemplo, que perdió sus fuentes naturales de látex, inició un gran programa que llevó al desarrollo de un caucho sintético. La entrada de Japón en el conflicto mundial cortó los suministros de caucho natural, seda y muchos metales procedentes de Asia a Estados Unidos. La respuesta estadounidense fue la intensificación del desarrollo y la producción de plásticos. El nailon se convirtió en una de las fuentes principales de fibras textiles, los poli ésteres se utilizaron en la fabricación de blindajes y otros materiales bélicos, y se produjeron en grandes cantidades varios tipos de caucho sintético. . TIPOS DE PLASTICOS. Por el proceso de polimerización, los plásticos se pueden clasificar en polímeros de condensación y polímeros de adición. Las reacciones de condensación producen diferentes longitudes de polímeros, mientras que las reacciones de adición producen longitudes específicas. Por otro lado, las polimerizaciones por condensación generan pequeñas cantidades de subproductos, como agua, amoníaco y etilenglicol, mientras las reacciones de adición no producen ningún subproducto. Algunos polímeros típicos de condensación son el nailon, los poliuretanos y los poli ésteres. Entre los polímeros de adición se
encuentran el polietileno, el polipropileno, el poli cloruró de vinilo y el poli estireno. Las masas moleculares medias de los polímeros de adición son generalmente mayores que las de los polímeros de condensación. Posibilidades de procesado El plástico se procesa de formas distintas, según sea termoplástico o termoestable. Los termoplásticos, formados por polímeros lineales o ramificados, pueden fundirse. Se ablandan cuando se calientan y se endurecen al enfriarse. Lo mismo ocurre con los plásticos termoestables que están poco entrecruzados. No obstante, la mayoría de los termoestables ganan en dureza cuando se calientan; el entrecruzado final que los vuelve rígidos se produce cuando se ha dado forma al plástico.U N I V E R S I D A D D E G U A D A L A J A R A CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS DEARTAMENTO DE MECANICA ELECTRICA X EXPODIME “FEBRERO 2005” FABRICACIÓN La fabricación de los plásticos y sus manufacturados implica cuatro pasos básicos: obtención de las materias primas, síntesis del polímero básico, obtención del polímero como un producto utilizable industrialmente y moldeo o deformación del plástico hasta su forma definitiva. Materias primas En un principio, la mayoría de los plásticos se fabricaban a partir de resinas de origen vegetal, como la celulosa (del algodón), el furfural (de la cáscara de la
avena), aceites de semillas y derivados del almidón o del carbón. La caseína de la leche era uno de los materiales no vegetales utilizados. A pesar de que la producción del nailon se basaba originalmente en el carbón, el aire y el agua, y de que el nailon 11 se fabrica todavía con semillas de ricino, la mayoría de los plásticos se elaboran hoy con derivados del petróleo. Las materias primas derivadas del petróleo son tan baratas como abundantes. No obstante, dado que las existencias mundiales de petróleo tienen un límite, se están investigando otras fuentes de materias primas, como la gasificación del carbón. SÍNTESIS DE POLIMEROS El primer paso en la fabricación de un plástico es la polimerización. Como se comentaba anteriormente, los dos métodos básicos de polimerización son las reacciones de condensación y las de adición. Estos métodos pueden llevarse a cabo de varias maneras. En la polimerización en masa se polimeriza sólo el monómero, por lo general en una fase gaseosa o líquida, si bien se realizan también algunas polimerizaciones en estado sólido. Mediante la polimerización en disolución se forma una emulsión que se coagula seguidamente. En la polimerización por interfase los monómeros se disuelven en dos líquidos inmiscibles y la polimerización tiene lugar en la interfase entre los dos líquidos. ADITIVOS Con frecuencia se utilizan aditivos químicos para conseguir una propiedad
determinada. Por ejemplo, los antioxidantes protegen el polímero de degradaciones químicas causadas por el oxígeno o el ozono. De una forma parecida, los estabilizadores lo protegen de la intemperie. Los plastificantes producen un polímero más flexible, los lubricantes reducen la fricción y los pigmentos colorean los plásticos. Algunas sustancias ignífugas y antiestáticas se utilizan también como aditivos. Muchos plásticos se fabrican en forma de material compuesto, lo que implica la adición de algún material de refuerzo (normalmente fibras de vidrio o de carbono) a la matriz de la resina plástica. Los materiales compuestos tienen la resistencia y la estabilidad de los metales, pero por lo general son más ligeros. Las espumas plásticas, compuestas de plástico y gas, proporcionan una masa de gran tamaño pero muy ligera.U N I V ERSIDAD DE GUADALAJARA CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS DEARTAMENTO DE MECANICA ELECTRICA X EXPODIME “FEBRERO 2005” FORMAS Y ACABADOS Las técnicas empleadas para conseguir la forma final y el acabado de los plásticos dependen de tres factores: tiempo, temperatura y deformación. La naturaleza de muc hos de estos procesos es cíclica, si bien algunos pueden clasificarse como continuos o semicontinuos. Una de las operaciones más comunes es la extrusión. Una máquina de extorsión consiste
en un aparato que bombea el plástico a través de un molde con la forma deseada. Los productos extorsionados, como por ejemplo los tubos, tienen una sección con forma regular. La máquina de extorsión también realiza otras operaciones, como moldeo por soplado o moldeo por inyección. Otros procesos utilizados son el moldeo por compresión, en el que la presión fuerza al plástico a adoptar una forma concreta, y el moldeo por transferencia, en el que un pistón introduce el plástico fundido a presión en un molde. El calandrado es otra técnica mediante la que se forman láminas de plástico. Algunos plásticos, y en particular los que tienen una elevada resistencia a la temperatura, requieren procesos de fabricación especiales. Por ejemplo, el politetrafluoretileno tiene una viscosidad de fundición tan alta que debe ser prensado para conseguir la forma deseada, y sintetizado, es decir, expuesto a temperaturas extremadamente altas que convierten el plástico en una masa cohesionada sin necesidad de fundirlo. MATERIA PRIMA El polietileno (PE) es un material termoplástico blanquecino, de transparente a translucido y es frecuentemente fabricado en finas láminas transparentes. Las secciones gruesas son translúcidas y tienen una apariencia de cera. Mediante el uso de colorantes puede obtenerse una gran variedad de productos coloreados. Calculo de la estructura:
CALCULO DE MOMENTOS DE LA ESTRUCTURA
MOMENTOS DE LAS 2 VIGAS
CALCULO DE LA CARGA SOBRE UNA COLUMNA DE ACERO
DETERMINACION DE LA CARGA CRITICA EN UNA COLUMNA CON UN FACTOR DE DISEÑO (n=3) Datos: L = 1000 mm Sección transversal cuadrada b = 57 mm por lado Ambos extremos fijos K = 0.65
Columna de acero AISI 1040 (estirado en frio) Sy = 565 MPa E = 207 GPa = 207x10 9N/m2 El factor de fijacion en los extremos para una columna de extremos fijos es de k = 0.65 un valor dado. Calcular: Le = longitud efectiva Le = KL = 0.65(1000mm) = 650mm r = valor minimo del radio de giro.
SR = razon de esbeltez ( )( ) kgm PL M kg Pkg R kg Pkg R ====== === 2000 4
8000 4 100 80 4 50 2 100 2 50 2 100 2 1 2 1U N I V E R S I D A D
DE
GUADALAJARA
CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS DEARTAMENTO DE MECANICA ELECTRICA X EXPODIME “FEBRERO 2005” ( )( ) 39.51 16.45 065 1000 ==== r KL r L
SR e Cc=constante de columna para una resistencia de cedencia de 545 MPa () 85.04 565 *10 2 2 207 *10 6 229 === pp y c S E C Al comparar Cc y Le/r la relacion de esbeltez es menor que la consta nte de columna entonces se usara la formula de jonson û ù ë é ÷ ø ö ç
è æ =E r L S p AS e y cr y 2 2 4 1 p El area de la seccion transversal cuadradaes: () 222 A = b = 57mm = 3249mm Entonces: ( )( ) ( )( ) () KN Nm Nm pcr mm N m 1637.56
4 207 *10 / 565 *10 / 21.87 3249 565 / 1 292 622 22 ú= û ù ê ë é =p Pa = carga permisible KN KN N P P cr a 545.86 3 1637.56 = = =U N I V E R S I D A D
DE
GUADALAJARA
CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS DEARTAMENTO DE MECANICA ELECTRICA
X EXPODIME “FEBRERO 2005” Calcular la carga critica de una columnacon factor de diseño (N = 3) Datos. v L = 1000 mm v Seccion transversal rectangular v B = 57 mm v H = 57 mm v Ambos extremos fijos K = 0.65 v Columna de acero AISI 1040 (estirado en frio) v Sy = 565 MPa v E = 207 GPa = 207*10 9 N/m 2 El valor de fijacion de los extremos esta dado es K = 0.65 Le = Longitud efectiva Le = KL = 0.65(1000mm) = 650mm r = radio minimo de giro SR = razon de esbeltez r mm r mmç b r h r y x
y x 16.45 12 57 16.45 12 57 12 12 == == = =U N I V E R S I D A D
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CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS DEARTAMENTO DE MECANICA ELECTRICA X EXPODIME “FEBRERO 2005” ( )( ) ( )( ) 29.51 16.45 0.65 1000 29.51 16.45 0.65 1000 ==== ====
= yy e xx e e r KL r L SR r KL r L SR r L SR Cc=constante de columna para una resistencia de cedencia de 545 MPa () 85.04 565 *10 2 2 207 *10 6 229 ===
pp y c S E C Al comparar Cc y Le/r la relacion de esbeltez es menor que la constante de columna entonces se usara la formula de jonson û ù ë é ÷ ø ö ç è æ =E r L S p AS e y
cr y 2 2 4 1 p El area de la seccion transversal cuadrada es: ( )( ) 2 A = bh = 57 57 = 3249mm () ( )( ) ( )( ) () ( )( ) ( )( ) () KN Nm Nm p mm N mm KN Nm Nm p mm N mm b S cr
cr y 16389.03 4 207 *10 / 565*10 / 25.91 3249 545 / 1 16389.03 4 207 *10 / 565*10 / 25.91 3249 545 / 1 30865.5 6 57 6 292 622 22 292 622 22 33 ú= û ù ê ë é
=ú= û ù ê ë é ==== p p Pa = carga permisible con un factor de diseño N = 3U N I V E R S I D A D E GUADALAJARA CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS DEARTAMENTO DE MECANICA ELECTRICA X EXPODIME “FEBRERO 2005” KN KN N p P KN KN N p P cr
D
a cr a 546.3 3 16389.03 546.3 3 16389.03 === ===
Cálculos para la potencia de la resistencia eléctrica. Utilizando la ley de joules obtendremos los watts de las resistencias de acuerdo con la siguiente formula. Q = 2 p K L ( Ti ? – To ) / ln ( Ro / Ri ) En donde: Q = Transferencia de calor en watts. K = ( 16.3 ) w / m º C L = Longitud. Ti = Temperatura interna. To = Temperatura externa. Ro = Radio externo. Ri = Radio interno. Para obtener los ampere de la resistencia se utiliza la ley de volt, la cual dice. P=IV
despejando obtenemos que
I=P/V
Cálculos de la Resistencia “a”. Datos: Q=¿ K = 16.3 W / m º C L = 20 cm – 0.2 m Ti = 91 º C To = 20 ºC Ri = 20.08 mm – 0.0208 m Ro = 24.15 mm – 0.02415m V = 220 volts. Sustituyendo: Qa = 2 p (16.3 w/mºC) (0.2m) (91ºC – 20ºC) / ln (0.02415m – 0.0208m) Qa= 7879.81 watts.U N I V E R S I D A D
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CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS DEARTAMENTO DE MECANICA ELECTRICA X EXPODIME “FEBRERO 2005” La corriente necesaria es. P=IV
I=P/V
Por lo tanto I = ( 7879.81 watts ) / (220 volt)
I = 22.91 Ampere
TOLVA. La tolva es otro elemento a mencionar ya que es el deposito en forma de pirámide invertida rectangular, donde se depositara el material a utilizar (plástico). Esta tolva es capaz de almacenar un volumen de 9131.96026 cm 3
el cual nos proporciona una cantidad de 64 vasos ya que el volumen de vasos a producir es de 142.62 cm 3 . Donde altura que le estamos proporcionando es de 300mm. El área de la tolva en la parte inferior tiene 4,800mm 2 , pro lo tanto a largo de la base tienes 160mm y a lo ancho de la base 30mm. A2 = a * b 30mm
A2 = (30mm)(160mm) = 4,800
mm 2
160 mm El área de la tolva de la parte superior tiene 68,400 mm 2, , por lo tanto a lo largo tenemos una longitud de 342 mm, y a lo ancho tenemos 200mm. 200mm 342.0mm A1 = a * b A1 = (200mm)(342mm) = 68,400mm 2 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS v GIANNI BODINI, FRANCO CACCHI PESSANI. Moldes y maquinas de v inyección para la transformación de plásticos. Editorial. Mc. Graw Hill v Dr. Ing. G. Menger. Moldes para la inyección de plástico. Editorial. g. gili.
v Norton – Jones. Procesamientos de plásticos, Inyección, Moldeo, Hule, PVC. Editorial. Limusa. v Irvin I. Rubin. Injection holding Theory and Practice. Editorial. Wiley Interscience. v Robert L. Mott. Resistencia de materiales aplicada. Editorial Prentice Hall. v Manual de formulas técnicas. v Manual de taller mecánico.
