Principios del procesado de los polímeros

La tecnología de la transformación o procesado de polímeros tiene como finalidad obtener objetos y piezas de formas predeterminadas y estables, cuyo comportamiento sea adecuado a las aplicaciones a las que están destinados.

Una de las características más destacadas de los materiales plásticos es la gran facilidad y economía con la que pueden ser procesados a partir de unas materias primas convenientemente preparadas, a las que se les han añadido los pigmentos, cargas y aditivos necesarios para cada aplicación. En algunos casos pueden producirse artículos semi-acabados como planchas y barras y posteriormente obtener la forma deseada usando métodos convencionales tales como mecanizado mediante máquinas herramientas y soldadura.

Sin embargo, en la mayoría de los casos el producto final, que puede ser bastante complejo en su forma, se obtiene en una sola operación, con muy poco desperdicio de material, como por ejemplo la fabricación de tubería por extrusión (proceso continuo) o la fabricación de teléfonos por moldeo por inyección (ciclo repetitivo de etapas).

Los polímeros termoplásticos suelen trabajarse previamente fundidos o reblandecidos por efecto simultáneo de la aplicación de calor, presión y esfuerzos de cizalla.

Principios del procesado de polímeros

En el procesado de polímeros debe tenerse en cuenta el fenómeno de la viscosidad.

Debido a su alta masa molecular, un polímero fundido es un fluido de alta viscosidad. La mayoría de los polímeros se procesan en estado fundido o líquido.

El flujo viscoso se caracteriza por el coeficiente de viscosidad. Se define la viscosidad como la relación entre la fuerza cortante por unidad de área y el gradiente de velocidad, como se observa en la figura de más abajo. Se representa mediante la fórmula

$\tau =\mu \cdot {\frac {\mathrm {d} \gamma }{\mathrm {d} n}}$

• τ es el esfuerzo por unidad de área o esfuerzo de cizalla (F/A);
• dγ/dn es el gradiente de velocidades, también llamado velocidad de deformación o velocidad de cizalla.

Viscosidad (μ):
$\tau ={\frac {F}{A}}=\mu \cdot {\frac {\mathrm {d} \delta X}{\mathrm {d} I}}$

La viscosidad de un fluido Newtoniano se suele representar con la letra griega μ, pero para fluidos no Newtonianos la viscosidad aparente se suele representar entonces con la letra griega η.

La unidad de medida de viscosidad en el sistema internacional es el Pa•s, aunque el Poise, la unidad de medida del sistema cegesimal (CGS), está más ampliamente difundida. La relación entre ambas es:

$1P\equiv 0.1\ Pa\cdot s$

Se pueden distinguir distintos tipos de comportamiento:

• Comportamiento newtoniano: Por fluido newtoniano se entiende aquel fluido cuyo valor de viscosidad, a una presión y temperatura dadas, es único para cualquier velocidad de cizalla, siendo independiente del tiempo de aplicación de la cizalla. Si el polímero fundido tiene un comportamiento newtoniano:

$\tau =\mu \cdot {\dot {\gamma }}$

• Comportamiento no-newtoniano:
  • Comportamiento dilatante (shear thickening):
    Lo presentan aquellos fluidos que ven aumentada su viscosidad al incrementar la velocidad de cizalla aplicada, causado por reorganizaciones en su microestructura. Los fluidos que siguen este comportamiento son poco numerosos, podríamos citar suspensiones de almidón en agua, y ciertas suspensiones de PVC.
    
  • Comportamiento pseudoplástico (shear thinning):
    Son materiales que ven reducida su viscosidad al aumentar la velocidad de deformaciòn. Muchos materiales muestran este tipo de comportamiento en mayor o menor grado y es el comportamiento más común. Quizá, por ser el comportamiento más común, y encontrarse en gran cantidad de sustancias de aplicación industrial ha sido ampliamente estudiado. Disoluciones de polímeros y polímeros fundidos muestran este tipo de comportamiento. Si el polímero fundido tiene un comportamiento pseudoplástico: $\tau =\eta \cdot ({\dot {\gamma }})^{n}$

En la siguiente tabla, se muestra un rango de viscosidades para diversos materiales a temperatura ambiente y presión atmosférica.

Liquido	Viscosidad aproximada ($Pa\cdot s$)
Vidrio fundido (500 °C)	$10^{12}$
Bitumen	$10^{8}$
Polimeros fundidos	$10^{3}$
Jarabes	$10^{2}$
Miel liquida	$10^{1}$
Glicerol	$10^{-1}$
Aceite de oliva	$10^{-2}$
Agua	$10^{-3}$
Aire	$10^{-5}$

Otro de los factores que influye a la viscosidad es la temperatura. Por encima del la temperatura de transiciòn vitrea (T_g), ls viscosidad sigue una ley de tipo Arrhenius. El coeficiente de viscosidad, a su vez, es dependiente de la temperatura, segùn la siguiente relaciòn:

$\eta =\eta _{0}\;e^{Q\diagup RT}$

donde $\eta _{0}$ es la viscosidad absoluta, $\mathbb {Q}$ es la energìa de activaciòn y T es la temperatura [K].

El comportamiento viscoelástico, que muchos polimeros exhiben en estado solido, tambien lo muestran en estado liquido. Un ejemplo es la dilatacion en la matriz de extrusión. el material extruido "recuerda" su forma antes de pasar por el orificio. Por otro lado, para el conformado de polímeros también hay que tener en cuenta el comportamiento viscoelástico, que muchos polímeros exhiben en estado sólido, pero que también lo muestran en estado líquido. Un ejemplo es la dilatación en la matriz de extrusión. El material extruido “recuerda” su forma antes de pasar por el orificio.

[[Razón de dilatación a la salida de la matriz debida a la viscoelasticidad:
$r_{s}=D_{x}/D_{d}$
$r_{s}$ = Razón de dilataciòn.
$D_{x}$ = Diámetro de la sección extruida.
$D_{d}$ = Diámetro del orificio de la matriz ]]

Procesados de polímeros

Los polimeros pueden ser procesados por una variedad de procesos. Algunos de los màs importantes son los siguientes.

Colado o moldeo de polímeros

El colado de polímeros es el vertido de un material polímero en un molde para que se endurezca. Una característica general es que ninguna de estas técnicas requiere presión.

Los mètodos màs usuales son el colado simple, el colado de películas, el colado de plástico fundido y el colado por rotación.

Colado simple

En la colada simple, se vierten resinas líquidas o plásticos fundidos en moldes y se dejan polimerizar o enfriar. Hoy en día, las resinas de colada más importantes son poliéster, epoxi, acrílica, poliestireno, siliconas, epóxidos, etil celulosa, acetato butirato de celulosa y poliuretanos. Probablemente, la más conocida sea la resina de poliéster ya que se utiliza profusamente en artesanía y bricolaje.Los moldes pueden estar hechos de madera, metal, yeso determinados plásticos, terminados elastómeros o vidrio.

Productos

Entre los ejemplos de productos obtenidos por colada simple se incluyen: bisutería, bolas de billar, láminas coladas para ventanas, piezas de muebles, cristales de relojes, gafas de sol, mangos para herramientas, servicios de mesa, pomos, encimeras, lavabos y botones de fantasía.

Tipos especiales de colada simple

Además de la colada simple, con comunes otras tres formas especiales de colada: inclusión, relleno y encapsulado. También las espumas pueden someterse a colada.

• Inclusión. Consiste en recubrir un objeto completamente con plástico transparente. Finalizada la polimerización,se saca la colada del molde y, generalmente, se pule.

Este tipo de tratamiento sirve para conservar, exponer o estudiar un objeto. En biología, es frecuente la inclusión de especímenes de animales y plantas para preservarlosy poderlos manipular sin que se deterioren las frágiles muestras.

• Rellenado. Se aplica para proteger componentes eléctricos y electrónicos de un entorno agresivo. En el proceso de rellenado se cubre completamente el componente deseado con plástico y el molde se convierte en parte del producto. Frecuentemente se aplica vacío, presión o fuerza centrífuga para asegurar que se rellenen todas las oquedades con la resina.
• Encapsulado. Es similar al rellenado y consiste en un recubrimiento, sin disolventes, de componentes eléctricos. Esta envoltura de plástico no rellena todas las oquedades. El proceso implica la inmersión del objeto en la resina colada. Muchos componentes se encapsulan después del rellenado.

Colado de películas

Esta técnica consiste en disolver un granulado o polvo plástico, junto con plastificantes, colorantes y otros aditivos, en un disolvente adecuado. A continuación se vierte la solución de plástico con disolvente en una cinta de acero inoxidable. Se evaporan los disolvente por aplicación de calor y se deja el depósito de película en la cinta móvil. Se desprende o separa la película y se enrosca en un cilindro estirador. Esta película se puede colar como recubrimiento o estratificando directamente sobre tela, no sirve.

Para que resulte económicamente factible, la colada con disolvente de película debe contar con un sistema de recuperación de disolvente. Entre los plásticos que se pueden colar con disolventes se incluyen el acetato de celulosa, butirato de celulosa, propionato de celulosa, polimetacrilato de metilo, policarbonato, polialcohol vinílico y otros copolímeros. Asimismo, es posible la colada de latéx plástico líquido sobre superficies revestidas de teflón, en lugar de acero inoxidable, para producir películas especiales.

Las dispersiones acuosas de politetrafluoroetileno y polifluoruro de vinilo se funden en cintas calentadas a temperaturas que están por debajo de sus puntos de fusión. Este método permite obtener películas y láminas de materiales que son difíciles de procesar por otros medios. Estas películas se utilizan como recubrimientos no adherentes, materiales de junta elástica y componentes de sellado para tuberías y juntas

Las películas, incluidas las película fotográfica y el celofán, se fabrican haciendo fluir una disolución del polímero sobre una superficie extremadamente lisa, en forma de una gran rueda pulida,u ocasionalmente, de una cinta o banda metálica. Una vez se ha evaporado el disolvente se separa la película de la superficie de colado.

Productos

• Envases hidrosolubles para lejías y detergentes.
• Recubrimientos no adherentes
• Materiales para junta elástica
• Componentes de sellado para tuberías y juntas.

Ventajas

La colada con disolvente de películas ofrece tres ventajas con respecto a otros procesos de fundido en caliente:

• No se necesitan aditivos termoestabilizadores ni lubricantes.
• Las películas tienen un grosor uniforme y son óptimamente transparentes.
• No se produce otientación ni deformación.

Plásticos empleados

Acetato de celulosa, butirato de celulosa, propionato de celulosa, etil celulosa, polialcohol vinílico, PVE, PMMA, PC, Látex plástico líquido sobre superficies revestidas de teflón, PTFE, polifluoruro de vinilo.

Colado de plástico fundido.

Algunos termoplásticos, como poliamidas y los acrílicos, y algunos plásticos termoestables, como los epóxicos, fenólicos, poliuretanos o poliéster, se pueden colar en moldes rígidos o flexibles, con una diversidad de formas. Otros materiales que se emplean en esta técnica son el etil celulosa, el acetato butirato de celulosa, la poliamida, el metacrilato de butilo, el polietileno.

Entre las partes que se suelen fabricar así están engranajes, cojinetes, ruedas, láminas gruesas y componentes que necesiten tener resistencia al desgaste por abrasión. Así como también adhesivos y recubrimientos desprendibles. Otra aplicación de este procedimiento está en las resinas fundidas que se emplean para moldes sobre los que colar otros materiales.

• En el colado convencional de los termoplásticos, se vierte una mezcla de monómero, catalizador y diversos aditivos, después de calentarla. La parte se forma después de que se efectúa la polimerización a presión atmosférica. Se pueden producir formas intrincadas con moldes flexibles, que después se desprenden. Puede ser necesaria una desgasificación para conservar la integridad del producto.
• Vaciado o fundición centrífugo. Este proceso es también usado con plásticos, incluyendo los plásticos reforzados con fibras cortas. Los polímeros termoestables son fundidos en forma similar; las piezas típicas producidas son similares a las que son hechas con fundición de polímeros termoplásticos.

• Sembrado y encapsulado. Una variación del colado, importante en la industria eléctrica y electrónica, es el sembrado y encapsulado. Este proceso consiste en colar el plástico en torno de un componente eléctrico, para embeberlo en el plástico.

El sembrado se hace en una caja, que es parte integral del producto. En el encapsulado, el componente se recubre con una capa del plástico solidificado. En ambas aplicaciones el plástico sirve como dieléctrico (no conductor). Se pueden encapsular en forma parcial miembros estructurales, como ganchos y pernos.

Colado por rotación.

Se emplea la rotación de un molde para distribuir uniformemente el material de colado en sus paredes interiores.

Materiales: resinas de polímeros, plásticos en polvo, dispersiones. Tipos:

• Colada por centrifugación: el molde gira solamente en un eje.
• Colada rotacional: el molde se desplaza sobre dos ejes de rotación.

Colado por centrifugación

Las principales características del moldeo centrífugo (centrifugal casting) son:

• Productos con geometría de revolución.
• Adherencia de la masa a la pared del molde por fuerza centrífuga: velocidad de giro elevada.
• Aplicación principal: poliéster reforzado con fibras cortas de vidrio (BMC) para tuberías, postes…
• Con resinas duroplásticas: curado en el propio molde calefactado + completado en estufas.

Productos que se suelen obtener: formas cilíndricas como tuberías y conductos.

Colada rotacional

Artículo principal: w: Moldeo rotacional.

Vídeo externo: Proceso Rotomoldeo

El Moldeo Rotacional o Rotomoldeo es el proceso de transformación del plástico empleado para producir piezas huecas, en el que plástico en polvo o liquido se vierte dentro de un molde mientras gira en dos ejes biaxiales. El plástico se va fundiendo mientras se distribuye y adhiere en toda la superficie interna. Finalmente el molde se enfría para permitir la extracción de la pieza terminada.

En los últimos años, el Rotomoldeo ha llamado fuertemente la atención de la comunidad industrial debido a las cualidades que presenta. Este proceso se va sofisticando día a día de manera que actualmente es considerado entre los procedimientos de transformación con mayor madurez tecnológica debido a las innovaciones en equipo, materiales y técnicas de control que han sido incorporados.

Este proceso ofrece gran libertad de diseño, pues es posible fabricar artículos complejos con herramentales relativamente sencillas y de bajo costo, que en ciertos casos sería imposible moldear con otro procedimiento. Además, el bajo costo de este proceso permite la experimentación con diversos materiales, distribución en el calibre de pared o con el acabado de las piezas.

Debido a las bajas presiones empleadas en el Moldeo Rotacional se producen piezas con tensiones internas mínimas, presentando un buen comportamiento mecánico debido a su mayor solidez en comparación con las piezas producidas a través del Soplado o la Inyección.

Los niveles productivos del Rotomoldeo pueden variar de algunas cuantas piezas, a cientos o miles de artículos, también es adecuado para la producción a baja escala con vista a la obtención de prototipos. Desde pequeñas piezas como los son partes de muñecas y pelotas, con las cuales el Rotomoldeo se posicionó en el mercado hace años, hasta artículos de alto desempeño físico o alta capacidad en volumen; el Moldeo Rotacional se presenta con varias ventajas frente a otros procedimientos de transformación para obtener piezas huecas tridimensionales donde las juntas del molde son prácticamente invisibles.

Al programar la velocidad de rotación es posible controlar el espesor de pared de diferentes zonas, que, en cualquier caso, no llegará a ser uniforme en toda la pared. El espesor puede ir de 1mm hasta el grosor que se requiera de acuerdo a las funciones de la pieza.

Por último, existen bajos niveles de desperdicio ya que este proceso no requiere el uso de coladas, ni bebederos. El material excedente o no deseado es poco en comparación con otros procesos para fabricar piezas huecas.

Características

• Se utilizan plásticos en polvo o suspensiones que se colocan en moldes de aluminio. De otra forma no podrían ser fundidos ni moldeados ya que el calor para realizar esto se transmite al material por conducción, proceso optimizado al aumentar el área de contacto en un polvo; considerando además, que en este estado el plástico puede “fluir” para tocar todas las paredes del molde mientras vaya girando.
• Se introduce el molde en el horno y se hace girar en dos planos, el material se extiende uniformemente sobre las paredes del molde caliente. El plástico se derrite y se funde al tocar la superficie del molde caliente, obteniéndose un recubrimiento compacto.
• Cuando se ha derretido o fundido el material en su totalidad se introduce en la cámara de enfriado a la vez que continua girando.Los polímeros cristalinos se enfrían en aire. Los polímeros amorfos se enfrían por rociado o baño de agua.
• Se extrae el producto.

Materiales

• Resinas de polímeros.

* Plásticos en polvo.

• Dispersiones.
• Termoplásticos.
  • Dentro de estos últimos los más comunes son polietileno de alta densidad, polivinilo clorado y poliamida.

Productos

• Completamente cerrados: pelotas, juguetes, recipientes, brazos industriales, flotadores, tanques de combustible, visores solares, etc.
• Artículos rellenos con espuma y doble pared.
• Piezas huecas simétricas o asimétricas, con geometría de curvas complejas, pared uniforme, y contrasalidas.

Ventajas e inconvenientes

Ventajas

• Gran flexibilidad en el diseño de piezas. No es un método de conformado complejo.
• Bajos niveles de desperdicio.
• Se pueden añadir refuerzos de fibra corta.
• No es un método de conformado complejo.
• El molde es más simple y menos costoso.
• Los productos apenas se deforman.
• El artículo obtenido está relativamente libre de tensiones residuales y de memoria viscoelástica.
• El proceso se adapta a la producción de bajas cantidades.
• Los costes del material son relativamente bajos.
• El colado rotacional produce objetos huecos sin uniones, sin necesidad de soldadura.

Inconvenientes

• El índice de producción es bajo y el tiempo del ciclo es alto.
• Contracción durante la solidificación.
• La precisión de las dimensiones es únicamente suficiente.
• Las burbujas de humedad y el aire pueden constituir un problema.
• Los disolventes y aditivos pueden ser peligrosos.

Comparativa frente a otros procesos

Diseño genérico de un extrusor.

Este proceso tiene muchas ventajas sobre los procesos de transformación de plástico convencionales como lo son el Moldeo por inyección y la extrusión. Algunas de las ventajas con respecto a dichas técnicas son:

• Capacidad para realizar producciones cortas.
• Fabricación de piezas grandes y huecas.
• Piezas de doble pared y con varias capas

En la fabricación de ciertas piezas huecas, con geometría de curvas complejas, pared uniforme, y “contrasalidas”, el Rotomoldeo es una alternativa con menor costo frente al soplado.

Máquina de inyección de plástico.

Por otro lado, debido a las bajas presiones empleadas en el Moldeo Rotacional se producen piezas con tensiones internas mínimas, presentando un buen comportamiento mecánico debido a su mayor solidez en comparación con las piezas producidas a través del soplado o la inyección.

Mercados

Algunos mercados donde participan productos obtenidos por rotomoldeo son:

• Sector industrial
• Sector salud
• Sector agrícola
• Industria metalúrgica
• Industria automotriz
• Bebidas y alimentos
• Construcción
• Higiene Industrial y ambiental
• Electrónica
• Farmacéutica
• Textil
• Juguetes
• Recreación y esparcimiento
• Aplicaciones Especiales

Empresas

Empresas dedicadas a la producción de piezas por Rotomoldeo:

• http://www.prodescom.net/
• http://www.rotationalmoulding.com/

Empresa para la transformación del plástico de Granza a Polvo, especialistas en el sector Rotomoldeo:

• http://www.zartu.es/

Moldeo por compresión

El moldeo por compresión es un proceso antiguo y muy utilizado para plásticos termofijos. Se aplica también a discos fonográficos termoplásticos, llantas de hule y varios compuestos en matriz de polímero.

El proceso, ilustrado en la siguiente figura, para un plástico termofijo es el siguiente:

1. Se coloca en el fondo de un molde calentado, una cantidad fija de compuesto de moldeo llamada carga.
2. Se unen las mitades del molde para comprimir la carga y forzarla a tornar la forma de la cavidad.
3. Se calienta la carga a través del molde para que polimerice y cure el material, transformándose en una pieza sólida.
4. Se abre el molde y se retira la parte de la cavidad.

La carga inicial del compuesto de moldeo puede estar en forma de polvos, pelets, líquido, o partes preformadas. La cantidad de polímero debe controlarse con toda precisión para obtener una consistencia uniforme en el producto moldeado. 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.

Principales aplicaciones:

• Materiales duroplásticos y elastómeros, para piezas de pequeñas dimensiones.
• Compuestos reforzados con fibras de vidrio (a partir de resinas epoxi, de poliéster…):
  • BMC (bulk molding compounds): reforzados con fibras de 3-12mm. Ejemplo: cuerpo de taladradora eléctrica.
  • SMC (sheet molding compounds): se sitúan en el molde alternativamente capas de fibras de ~ 25mm y capas de mezcla

de resina y otros componentes. Preferentemente para piezas de gran superficie y pequeño espesor. Ejemplo: paneles para vehículos.

• • 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 (ejemplo: era el método para la

producción de discos LP).

Ventajas

• Fluido en pequeñas distancias: menores tensiones internas.
• Bajo coste de mantenimiento y de fabricación de moldes.
• Diseño sencillo de moldes, al no haber entrada y canales.
  

Desventajas

• 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.

Moldeo por trasferencia

En este proceso, se carga un termofijo (preformado) en una cámara inmediata a la cavidad del molde, donde se calienta; se aplica entonces presión para forzar al polímero suavizado a fluir dentro del molde caliente, donde el polímero se cura. Las dos variantes de este proceso se ilustran en la siguiente figura:

• (a) moldeo con recipiente de transferencia, en el cual la carga se inyecta de un recipiente a través de un canal vertical en la cavidad
• (b) moldeo con émbolo de transferencia, en el cual se inyecta la carga en la cavidad del molde por medio de un émbolo desde un depósito que se calienta a través de los canales laterales.

En ambos casos se produce material de desperdicio en cada ciclo por la pieza desechada que se queda en la base del depósito y en los canales laterales (que en inglés se denominan cull). Además, el vertedero del recipiente de transferencia es también material de desecho. Este desecho no puede recuperarse debido a que los polímeros son termofijos.

El moldeo por transferencia está relacionado estrechamente con el moldeo por compresión, debido a que utiliza el mismo tipo de polímeros (termofijos y elastómeros). Existen similitudes con el moldeo por inyección, ya que la carga se precalienta en una cámara separada, y luego se inyecta en el molde. En el moldeo por transferencia se pueden moldear formas de partes más intrincadas que en el moldeo por compresión pero no tan intrincadas como las del moldeo por inyección. El moldeo por transferencia también se presta para usar insertos de metal o de cerámica que se colocan en la cavidad antes de la inyección, el plástico calentado se adhiere al inserto durante el moldeo.

En definitiva, se creó este método para mejorar el de compresión.

Ventajas

• La carga de material para la inyección entera en una localización consume menos tiempo que la carga de preformas en cada cavidad individual.
• Las espigas de núcleo con diámetro más largo y más pequeño pueden ser utilizadas porque pueden ser sostenidos en ambos extremos.
• Tras haber sido cerrado el molde antes de que cualquier material llegue a la cavidad, las inserciones de metal pueden ser moldeadas en las piezas sin rebabarlas.
• A través de las dimensiones de la línea de separación se mantienen más fácilmente a las tolerancias rígidas.
• Las rebabas en la línea de separación pueden ser mantenidas a un grosor mínimo si el molde está diseñado apropiadamente y bien mantenido.

Desventajas

• La deformación es más bien un problema porque el flujo de materiales de transferencia es más suave y se encoge más que los materiales de grado de compresión. Además, el empuje del material por un canal y una entrada orienta el material, lo que resulta en encogimiento no uniforme.
• Puesto que el material fluye desde una localización para llenar la pieza, verá las líneas de punto opuestas de la entrada en cada espiga de núcleo.
• La tasa de chatarra para las piezas moldeadas por transferencia usualmente será mayor que las piezas moldeadas por compresión porque de la chatarra extra del desperdicio y canal.
• Para evitar que el molde se abra un poco lo que puede resultar en una rebaba importante en las piezas, el tonelaje de cierre para las piezas moldeadas por transferencia es mayor que para las piezas moldeadas por compresión. Como resultado, un molde de compresión puede tener más cavidades de una pieza dada que un molde de transferencia para la misma pieza en la misma prensa.

Moldeo por soplado.

El moldeo por soplado es una tecnología del vidrio aplicada a los plásticos. En este proceso, soplamos aire a través de una preforma tubular en caliente, y ésta se adapta a un molde o se modela de manera artesanal. En ingeniería, lo más común es usar el sistema de molde metálico donde se introduce la preforma y se sopla aire. Es muy usado para fabricar objetos huecos, como botellas. Las piezas producidas por soplado presentan numerosas ventajas:

• ligereza,
• piezas sin puntas o intersticios,
• aislamiento,
• posibilidad obtener piezas con pared simple o doble,
• el moldeo por extrusión y soplado es un proceso de baja presión (de 1,72 bar hasta 10,34 bar). Esto permite tener plantas de procesado más económicas, manteniendo la misma calidad,
• los moldes de soplado son más baratos. Se puede hacer un moldeo por soplado a partir de un proceso de extrusión o de inyección del polímero fundido.

Extrusión y soplado

Es un proceso semicontinuo que incluye dos pasos:

• Primero, por una extrusión del polímero fundido obtenemos una preforma cilíndrica tubular, al hacerlo pasar por un dado que le confiere esta forma. Se obtiene lo que se denomina párison.
• Por último, se insufla aire hasta obtener la forma final del producto, en este caso, una botella.

En este vídeo, se puede observar perfectamente el proceso llevado a cabo. Al principio, tenemos el polímero fundido, y lo extruimos, haciéndolo pasar a través de un dado para conferirle su forma tubular, capturado por un obturador para impedir su movimiento. A esta preforma tubular se le denomina párison. En el siguiente paso, el obturador ubica el párison dentro del molde de metal, que posteriormente se cierra para dejar al párison en su interior, y teniendo como único contacto al exterior, la boca donde insuflaremos el aire. Después, soplamos el aire a través del conducto destinado a tal propósito, inflando el tubo hasta que adquiere totalmente la forma del negativo del molde. Por último, cuando el polímero se enfríe, abriremos el molde y expulsamos la pieza, obteniendo el producto final deseado.

Inyección y soplado

Este sistema de conformado es muy parecido al anterior, con la salvedad que ahora no necesitamos del dado que le confería la forma por extrusión, ni un obturador para sujetar la zona de inyección, sino que ahora, el polímero se inyecta en un molde para la preforma, y el espaciado interior se consigue con un mandril. Esta técnica sólo emplea termoplásticos y su uso se extiende principalmente a envases y objetos huecos, como en el caso anterior, como son botellas de refrescos. Como se puede apreciar, se emplea una máquina de extrusión combinada con un molde.

Los pasos del proceso (ver video) son los siguientes. En primer lugar, con el polímero fundido, lo inyectamos en un molde con un mandril en su interior, encargado de hacerle el agujero central a la preforma de tubo. Se observa que el material inyectado llega hasta el final del molde, con una forma determinada, que corresponderá con la forma de la rosca del tapón. Luego, se deja enfriar y se van acumulando para su posterior tratamiento. Una vez tenemos la preforma fría, la introduciremos en otro molde, agarrando la zona de la rosca del tapón con el mismo y dejándolo sujeto. Hay que tener en cuenta que el mandril interior es hueco en su interior y se deja permanentemente en la preforma fria. Este nuevo molde tiene su superficie caliente, lo que hace que de nuevo, el polímero vuelva a ser conformado con facilidad, ya que se encuentra a la temperatura de reblandecimeinto, salvo la zona del cuello, que permanece sólida y rígida en todo momento del proceso. Al insuflarle aire obtenemos la forma final y tras el enfriamiento, retiramos el mandril.

Ventajas de este proceso:

• Las preformas se pueden inyectar y almacenar, por lo que podemos guardarlas para realizar el soplado más tarde.
• Las preformas son estables y pueden ser sopladas a velocidad alta según la demanda requerida. Por eso, el proceso de inyección y soplado se usa para la producción de objetos de plástico en grandes cantidades.
• El proceso de inyección y soplado ofrece mejor control sobre el peso y grosor de las paredes del componente terminado, también mejora la precisión sobre áreas no sopladas como el cuello.

El uso de preformas es muy común en la fabricación de botellas de PET como las utilizadas en los refrescos.

Moldeo de polímeros por inyección

Es un proceso de conformado consistente en calentar un polímero e introducirlo en un molde mediante altas presiones. Puede producir piezas de diversos tamaños y gran complejidad. La complejidad y tamaño de la pieza moldeada se refleja en un mayor volúmen y coste de los equipos.

Este proceso es adecuado para los termoplásticos y para gran número de termoendurecibles. Sus aplicaciones se reflejan en gran cantidad de artículos cotidianos: aparatos electrónicos, calzado, bolígrafos, cepillos, piezas de automóvil...

Entre otras ventajas, destacan los altos índices de productividad y automatización con posibilidad de piezas pequeñas de tolerancias estrechas, sin necesidad de una operación adicional de acabado superficial y la posibilidad de reutilización de los desechos termoplásticos.

En el siguiente vídeo se puede ver esquemáticamente la inyección del polímero dentro del molde.

Proceso y equipo

En general, se trata de un proceso a caballo entre la extrusión y la colada de metales. Como se muestra en la siguiente figura, la máquina típica de moldeo por inyección consta de dos partes fundamentales: unidad de inyección y unidad de sujeción.

El proceso se produce de la siguiente manera:

1. Una tolva alimenta de manera regular la unidad inyectora con granza de plástico.
2. La granza se calienta y funde en el cilindro y es empujada hacia adelante por la propia hélice del husillo.
3. Finalmente, el husillo se desplaza e inyecta el plástico fundido hacia el molde a gran presión.

Dependiendo de que el propio husillo actúe o no de émbolo, la máquina se llama de “husillo reciprocante” o de “dos etapas”, respectivamente. Una vez la granza se ha fluidificado en el recorrido por el husillo, el plástico se solidifica muy rápidamente, por lo que se precisa una gran presión de llenado para homogeneizar.

• El husillo gira en sentido contrario y retrocede, mientras la pieza es expulsada tras abrir el molde.
• La tolva ha seguido alimentando el hueco entre el husillo y el cilindro, con lo tiene material para el siguiente ciclo de llenado.

Moldeo

Los moldes constituyen la parte más importante de una máquina de inyección, dada su complejidad. Lo fabrican especialistas en moldes y permite fabricar la pieza cuando se desee. Generalmente, es propiedad del que realiza el pedido de piezas.

En la siguiente figura se muestra el esquema de un molde de 2 placas. En él, una mitad está sujeta a la placa estacionaria y a la otra a la móvil de la unidad de sujeción. El molde es atravesado por canales de agua para enfriar la pieza. Al cerrarse el molde se produce el llenado del mismo con plástico fundido a presión y al enfriarse (generalmente se requiere refrigeración) la pieza solidificada es expulsada mediante pernos eyectores cuando se abre el molde. Estos pernos poseen pequeños conductos para evacuar, al mismo tiempo, el aire del molde.

La figura mostrada a continuación muestra esquema de un molde de 3 placas en la posición de cerrado y abierto. Este diseño posee algunas ventajas respecto al anterior:

• El flujo del plástico pasa a través de una puerta situada en la base de las piezas (si entra por un lateral se puede producir un "defecto de soldadura").
• Al abrirse y dejar dos aberturas, por una de ellas cae el bebedero y los alimentadores, mientras que por la otra las piezas (se evita una operación posterior para separar de la pieza los alimentadores y el bebedero).

Unidad de sujección

Es la encargada de abrir y cerrar el molde, aplicando la fuerza necesaria. Esta fuerza es una de las características que definen la capacidad de una máquina de inyección, pudiendo encontrarse máquinas con "fuerza de cierre" desde varias decenas a miles de kN. Pueden ser de tres tipos: articuladas, hidráulicas e hidromecánicas (una combinación de las anteriores). Se muestran en la siguiente figura.

• Articuladas (para carga de cierre hasta 1500 kN). Al principio del cierre la carga es baja y la velocidad alta. Hacia el final del recorrido de cierre, la situación se invierte.
• Hidráulicas (para carga de cierre de 1500 a 10 000 kN). Eliminan las uniones mecánicas, pero requiere cilindros hidráulicos grandes. Se usa en máquinas de mayor capacidad de cierre.

Defectos e inconvenientes

Algunos defectos comunes en los procesos de moldeo por inyección son los siguientes:

• El problema más común, y que aparece en todos los procesos de enfriamiento de polímeros, es la contracción. Algunos termoplásticos experimentan contracciones de hasta un 10% dentro del molde. Esto es previsible para cada material, luego las dimensiones del molde serán algo mayores que la pieza final, y, si es posible, se añadirá alguna carga de relleno para contrarrestar esto.
• Llenado deficiente. La pieza solidifica antes de llenar por completo la cavidad. Se soluciona aumentando temperatura o presión, o bien empleando una máquina mayor.
• Rebaba. La fusión del polímero se mete en las paredes de separación del molde, debido a dosis altas de material, temperaturas elevadas, presiones excesivas, orificios de ventilación y juegos grandes.
• Marcas hundidas y huecos. Sobre todo en secciones gruesas, a causa de la solidificación y contracción de la superficie antes que el interior. Se puede solucionar usando secciones más delgadas y espesores uniformes.
• Líneas soldadas. Aparecen al fluir el polímero alrededor de un corazón y encontrarse los flujos en otro punto. Pueden tener características mecánicas inferiores. Se puede evitar mediante temperaturas y presiones altas, puertas alternas y mejor ventilación.
• Gran coste para producciones de series cortas.
• Es un proceso de precisión. Por tanto, un diseño defectuoso puede dar al traste con una serie grande de piezas, o producir un volumen de desecho inaceptable.

Moldeo por extrusión

Extrusor

El proceso de conformado por extrusión es fundamental para metales, cerámicos y polímeros. La extrusión es un proceso de compresión en el cual se fuerza al material a fluir a través del orificio de una matriz para generar un producto largo y continuo, cuya forma de la sección transversal queda determinada por la forma del orificio. Es un proceso de conformado de polímeros que se usa ampliamente con termoplásticos y elastómeros (pero rara vez con termoendurecibles) para producir masivamente artículos como tubos, mangueras, perfiles estructurales (como molduras de ventanas y puertas), láminas y películas, filamentos continuos, recubrimientos de alambres y cables eléctricos. Para este tipo de productos, la extrusión se lleva a cabo como un proceso continuo: el producto extruido se corta inmediatamente en las longitudes deseadas. En esta apartado se tratan los procesos de extrusión básica y los procesos basados en la extrusión.

En la extrusión de polímeros el material se alimenta en forma de granza a un cilindro de extrusión, donde se calienta y se le hace fluir a través del orificio de una matriz por medio de un tornillo giratorio (husillo), como se ilustra en la figura siguiente. Los dos componentes principales del extrusor son el cilindro y el tornillo. La matriz no es un componente del extrusor, sino una herramienta especial que debe fabricarse con el perfil particular a producir.

El diámetro interno del cilindro extrusor fluctúa típicamente entre 25 y 100 mm. El cilindro es de mayor longitud que su diámetro, con una relación L/D usualmente entre 10 y 30. Las relaciones más grandes se usan para materiales termoplásticos, mientras que los valores bajos de L/D son para elastómeros. La tolva que contiene el material de alimentación se localiza en un extremo del cilindro. La granza se alimenta por gravedad sobre el tornillo giratorio (husillo), que desplaza el material a lo largo del cilindro. Se utilizan resistencias eléctricas para fundir inicialmente las partículas de granza sólida; el mezclado y el trabajo mecánico subsiguiente del material generan el calor adicional que mantiene la fusión. En algunos casos, el mezclado y la acción cortante generan el calor suficiente, de manera que no se requiere calentamiento externo. De hecho, en algunos casos el cilindro debe ser enfriado externamente para prevenir el sobrecalentamiento del polímero.

El material se transporta a través del cilindro hacia la abertura de la matriz por la acción del husillo extrusor, que gira aproximadamente a 60 rpm. El husillo tiene varias funciones y se divide en secciones que corresponden a cada función. Las secciones y las funciones son:

• Sección de alimentación, en la cual el material se mueve desde la puerta de la tolva y se precalienta.
• Sección de compresión, donde el polímero adquiere una consistencia líquida, el aire atrapado entre la granza se extrae de la fusión y el material se comprime.
• Sección dosificadora, en la cual se homogeneiza la fusión y se desarrolla suficiente presión para bombearla a través del orificio de la matriz.

Flujo de arrastre de extrusor.

La operación del husillo está determinada por su geometría y su velocidad de rotación. La geometría típica de un husillo extrusor se describe en la figura siguiente. El husillo consiste en paletas o aspas espirales (roscas) con canales entre ellas, que conducen el polímero fundido. El canal tiene un ancho T y una profundidad H. Al girar el husillo, las paletas empujan el material hacia delante a través del canal desde la tolva hasta la matriz. Aunque no se aprecia en el diagrama, diámetro de la paleta (rosca) es más pequeño que el del cilindro D con una pequeña holgura de aproximadamente 0.05 mm. La función de esta holgura es limitar la fuga de la fusión hacia a través del canal conductor. La pared de la paleta tiene un ancho e y está hecha de acero endurecido para resistir el desgaste al girar y al rozar contra el interior del cilindro. El husillo tiene un paso, cuyo valor es generalmente cercano al diámetro D. El ángulo de la paleta φ es el ángulo de la hélice y puede determinarse mediante la relación:

$\tan \phi ={\frac {PASO}{\pi D}}$

El incremento de presión que se aplica al polímero fundido en las tres secciones del cilindro se determina en gran parte por la profundidad del canal H. Esta profundidad es relativamente grande en la sección de alimentación para permitir la admisión de grandes cantidades de polímero granular en el cilindro. En la sección de compresión, H se reduce gradualmente, aplicando así presión creciente en el polímero al ser fundido. En la sección dosificadora, la profundidad es pequeña y la presión alcanza un máximo.

Con respecto a la longitud de las secciones del husillo, si las tres secciones se muestran iguales, resulta apropiado para un polímero que funde gradualmente, como el polietileno de baja densidad LDPE. Para otros polímeros, las longitudes óptimas de las secciones son diferentes. En el caso polímeros cristalinos como el nailon, la fusión ocurre más bien abruptamente en un punto específico de fusión, en consecuencia es apropiada una sección corta de compresión. Los polímeros amorfos como el PVC funden más lentamente que el LDPE, y la zona de compresión para estos materiales debe tomar casi la longitud entera del husillo. Aunque el diseño óptimo del husillo para cada tipo de material es diferente, es una práctica común usar husillos de propósito general. Estos diseños representan un compromiso entre los diferentes materiales y se evita la necesidad de hacer frecuentes cambios de husillo, asociados con los paros del equipo.

El flujo del polímero a lo largo del cilindro conduce finalmente a la zona de la matriz. Antes de alcanzar la matriz, la fusión pasa a través de una malla y de un plato rompedor que contiene pequeños agujeros axiales. La malla y el plato rompedor sirven para:

• filtrar contaminantes y trozos duros sin fundir.
• acumular presión en la sección dosificadora.
• enderezar el flujo del polímero fundido y borrar su memoria del movimiento circular impuesto por el husillo.

Esta última función se relaciona con la propiedad viscoelástica del polímero; si el flujo no fuera enderezado hacia la izquierda, el polímero podría recuperar sus giros dentro de la cámara de extrusión, tendiendo a crecer y a distorsionar la extrusión.

Lo que se ha descrito aquí es relativo a una máquina convencional de extrusión de husillo simple. Es necesario mencionar los extrusores de husillo doble porque estos ocupan un lugar importante en la industria. En estas máquinas, los husillos son paralelos dentro del cilindro. Los extrusores de husillos gemelos están recomendados para el PVC rígido, un polímero difícil de extruir normalmente, y para materiales que requieren un mayor mezclado.

Extrusión de película soplada

Este es otro proceso ampliamente utilizado para hacer películas delgadas de polietileno para empaquetado. Su complejidad combina la de la extrusión y el soplado para producir un tubo de película delgada. Se describe el proceso mediante siguiente figura.

El proceso empieza con la extrusión de un tubo que se estira inmediatamente hacia arriba, y aún fundido, se expande simultáneamente su tamaño por inflado de aire través del mandril de la matriz. La presión de aire dentro de la burbuja tiene que ser constante para mantener uniforme el espesor de la película y el diámetro del tubo. Los rodillos de presión, que aprietan otra vez el tubo antes de que haya enfriado mantienen el aire dentro del tubo y cierran la burbuja una vez solidificada la película. Los rodillos guía se usan también para limitar el tubo soplado y dirigirlo hacia los rodillos de compresión. La bola plana es entonces enrollada en un carrete final.

El efecto que produce el soplado con aire es estirar la película en ambas direcciones mientras se enfría. Como resultado, la película adquiere propiedades de resistencia isotrópica, lo que representa una ventaja sobre otros procesos en los cuales el material se estira, principalmente, en una sola dirección. La facilidad con que puede cambiarse la velocidad de extrusión y la presión de aire para controlar el ancho y el calibre (espesor) del material, son otras ventajas del proceso. Comparándolo con la extrusión en matriz de rendija, el método de película soplada produce películas más fuertes (por eso puede usarse una película más delgada para empaquetar un producto), pero el control del espesor y la velocidad de producción son bajas. La película soplada final puede dejarse en forma tubular (por ejemplo para bolsas de basura) o pueden cortarse los bordes para suministrar dos películas delgadas paralelas o una con el doble de ancho.

Calandrado

El calandrado es un proceso continuo de transformacion de materiales termoplásticos y elastómeros para la fabricación de láminas flexibles y semirrígidas de reducido espesor. Consiste en hacer pasar el material, previamente plastificado, por el entrehierro de dos o más cilindros dispuestos con sus eje en paralelo de una maquina denominada calandria. La lámina bruta obtenida se refina seguidamente, se ajustan sus dimensiones en una serie de cilindros de calibracion y enfriamiento, finalmente se corta y se bobina.

Mediante esta tecnica se pueden conseguir distintos tipos de acabados superficiales: brillante, mate, difuminado, e incluso texturas especiales según sea el recubrimiento que se disponga en el ultimo cilindro caliente que es el que proporciona la calidad final.

La alimentación a la calandria puede hacerse en forma de masa fundida (como en el caso de los poliuretanos plasticos,TPU, o del LPDE)que se extruye previamente, o como masa gelatinizada en los plastificantes ( el caso mas frecuente, el PVC). Aunque estas maquinas tienen una cierta capacidad, no son capaces de plastificar el material, que debe llegar previamente homogeneizado y con la viscosidad adecuada.

Cuando el plastificante es abundante, como ocurre en los productos flexibles del PVC este se mezcla con el "compound" en una malaxadora o en un mezclador interno tipo "Banbury" y se pasa seguidamente por una mezcaldora de cilindros. La tira de material que se corta de uno de ellos se introduce en la tolva de una extrusora que proporciona una cinta o un cordon continuo, que se deposita a todo lo largo del entrehierro del primer par de cilindros de la calandria mediante un transportador-alimentador con movimiento de vaivén, al que generalmente se le acopla un detector de metales.

Los espesores mas habituales de las láminas calandradas son del orden de 1 mm e inferiores (hasta 0,3 mm). Sin embargo, si se laminan en un tren de rodillos dispuesto a continuacion pueden conseguirse espesores menores.

Los cilindros disponen de una serie de taladros paralelos a sus generatrices y próximos a su superficie, por los que se recircula aceite mas o menos caliente para controlar la temperatura del material, que generalmente aumenta a medida que se siendo laminado. La temperatura de los primeros rodillos se mantiene alrededor de los 200 °C en el caso del PVC. Es muy importante que la temperatura de toda la superficie de los cilindros sea la misma, para evitar irregularidades morfológicas y de espesor en la lamina calandrada.

A igualdad de velocidad de giro, el material a la salida del entrehierro se adhiere al cilindro más frio, pues su viscosidad aumenta al enfriarse. En condiciones de igual temperatura, el producto calandrado se adhiere al que gira mas rápido, pues aunque la viscosidad disminuye con el aumento de la velocidad de deformación, el esfuerzo cortante que la arrastra resulta mayor.

La mayor ventaja de esta técnica de procesado radica en que puede ser usada para fabricar láminas de materiales muy viscocos y que se degradan facilmente y requieren tiempos de permanencia a altas temperaturas muy cortos. El PVC flexible, semirrígido y rígido es, con gran diferencia y en ese orden, el material que más se procesa mediante calandrado. Tambien se calandran otros termoplásticos,como el ABS, el PP, el CPE,etc.. y gomas, si bien en calndrias de rodillos de menor longitud. Aun con altos contenidos de sólidos se consiguen altas capacidades de producción.

Condiciones de operación y efectos sobre la calidad de la lámina

El espesor de la lámina calandrada s queda determinado por la dimensión del entrehierro H₀ y por el hinchamiento del material. Velocidades mayores y entrehierros menores proporcionan una mayor presión y homogeneización del material, pero tambien una mayor temperatura y riesgo de inclusiones de aire.

La presión maxima ejercida por los cilindros sobre el material se reduce a menos de la mitad del calculado en el caso del comportamiento newtoniano, cuando la viscosidad varía con respecto a la velocidad de deformación en la pared, con exponentes de flujo comprendidos entre 0,75 y 0,5. Tales valores son los correspondientes a las moderadas velocidades de deformación que se ocasionan cuando los cilindros "muerden" la masa plastificada.

La generacion viscosa de calor es reducida (máximo de 10-20º C en cada par de cilindros, girando a máxima velocidad) y la transmisión de calor es mediocre, por lo que la inercia térmica de la masa contenida entre los rodillos de la entrada de la calandria es muy grande. Un incremento de la temperatura de calandrado ocasiona, en general, los siguientes efectos:

• mejor calidad superficial de la lámina, especialmente cuando el "compound" lleva una alta proporcion de carga.
• menores riesgos de defectos en el despegue de la lámina de los rodillos (marcas superficiales en forma de multiples V [VVVVV]).
• disminución de la viscosidad, y por consiguiente, de la presión que ejercen los rodillos sobre la masa y un menor esfuerzo tendente a deformar los rodillos, que en caso de no compensarse, ocasiona una reduccion de espesor en el centro de la lámmina. tambien se facilita la inclusion de burbujas de aire en el interior de la masa, que posteriormente se traducirá en porosidad.
• mayor peligro de degradación del material.

La velocidad de los rodillos, puede considerarse como una varible independiente del proceso, que puede servir para ajustar "en fino" el espesor de la lámina fabricada (efecto del hinchamiento a la salida) sin modificar el entrehierro. Adicionalmente, un aumento de la velocidad produce los siguientes efectos:

• aumento de la presion maxima alcanzada y de la generacion viscosa de calor, con lo que se puede reducir la temperatura de los rodillos, si hubiera problemas de degradación o de inclusión de burbujas de aire.
• aumento de la producción, que puede ocasionar problemas superficiales de ruptura del fundido observables en forma de una aspereza superficial y la consiguiente pérdida de brillo.
• disminución del tiempo de residencia, que puede afecta al mezclado y a la plastificación, si la alimentación no aporta el materialen la condiciones óptimas.

Medida y control del espesor

La medida del espesor de la lámina, que circula a velocidades de hasta 30m/min por los rodillos de arrastre de la calandria se hace mediante rayos ß emitidos por una fuente radioactiva de baja energia que se mueve en la direccion perpendicular. Asi se va barriendo la lamina de lado a lado, de modo que los rayos la atraviesan perpendicularmente dando asi una lectura del espesor de la lámina.

Debido al peso propio de los cilindros, soportados exclusivamente en sus extremos por los cojinetes, y a la contrapresion del material comprimido en el entrehierro se produce una deformación o flecha que reduce el espesor de la lámina por el centro, especialmente con cilindros de gran longitud. Para compensarla se puede modificar el perfil de la generatriz del cilindro, pero esta solucion solo es adecuada cuando se utiliza un único tipo de material. Generalmente se consigue aplicando unos momentos flectores en los extremos de los ejes de un par de rodillos por fuera de los cojinetes, para conseguir una deformacion compensatoria de la flecha. Un ajuste adicional del espesor, en busca de su uniformidad a todo lo ancho de la lámina calandrada, puede lograrse rompiendo el paralelismo de los ejes de ambos cilindros mediante pequeños giros en sus planos horizontales, este cruzamiento de ejes tiene como efecto aumentar el espesor por los extremos, con respecto al centro de la lámina.

Las calandrias cuentan con ambos tipos de regulación del espesor de una forma automática en funcion de las variaciones estadísticas del espesor, detectadas por los rayos ß y monitorizadas por un pequeño ordenador.

Enfriamiento y acabado

En los materiales termoplásticos una vez producida la lámina en caliente, con el espesor adecuado y lo más uniforme posible, se procede a su enfriamiento y enrollado, pero se debe cuidar que tales operaciones no dañen o modifiquen su calidad.

El enfriamiento a partir de la temperatura de calandrado (alrededor de 180 °C en el PVC) debe llevarse a cabo lentamente al mismo tiempo que se soporta la lámina, que no tiene resistencia mecánica para resistir su propio peso,mediante un tren de rodillos de enfriamiento que reducen su temperatura hasta casi la de transcisión vítrea (por debajo de los 100 °C en el PVC).Estos rodillos no deben producir ningún efecto de estirado, pues a las temperaturas relativamente bajas a las que se encuentra, la viscoelasticidad del material produciría una retracción en la dirección transversal de la lámina, que quedaría con tensiones residuales. Tales tensiones pueden generar deformaciones indeseadas, cuando la pieza final con ella fabricada sufra algún recalentamiento que aproxime su temperatura a la de transcisión vítrea.

Sin embargo, por debajo de la temperatura de calandrado, pero lejos todavia de la Tg (transcisión vítrea) (alrededor de los 170 °C en el pvc), si que resulta posible estirar la lámina sin nugún inconveniente, siendo este el mejor método para fabricar firmes de hasta 50 micras sin reducir el entrehierro a menos de 0.2mm.

Una vez fría la lámina, se cortan sus bordes (material reciclable) y se puede proceder a su bobinado,mediante sistemas que no ocasionen ningún estirado adicional en frio. Para tal fin se suele utilizar un rodillo girado por un par torsor constante, que gira la bobina de transporte por fricción sobre la lámina; tal dispositivo es importante especialmente en el caso UPVC.

En el caso de los elastómeros el producto calandrado queda generalmente sin vulcanizar (es decir, en verde),pendiente de una posterior elaboracion y reticulación. Solo cuando se trata de la fabricación de bandas o cintas, la vulcanizacion suele tener lugar en un horno continuo intercalado en el tren de calandrado a la salida de la calandria.

Termoconformado

El termoformado se inicia a finales de la Segunda Guerra Mundial, con el inicio de la fabricación de materiales termoplásticos que permitieron llegar a un veloz desarrollo de maquinaria y equipos para proceso de comercialización cada vez más acelerados.

Para los años 1960, las bases del proceso de formado al vacío ya eran sólidas, y los consumidores demandaban procesos de producción de termoformado aún más veloces, los cuales fueron cubiertos por maquinaria capaz de producir grandes cantidades de piezas por hora. Desde los años 1980 hasta la fecha, el termoformado se ha convertido en uno de los procesos más solicitados en la industria, abarcando casi por completo las distintas vertientes de ésta, innovando día a día para la fabricación de mayores volúmenes a menores tiempos y costo.

El termoformado es un proceso en el cual se usa una lámina plana de material termoplástico para darle la forma deseada. El proceso se usa ampliamente en el empaque de productos de consumo para fabricar grandes artículos como tinas de baño, domos grandes para tragaluces y revestimiento internos para refrigeradores.

El termoformado consta de dos pasos principales: calentamiento y formado. El calentamiento se realiza generalmente mediante radiadores eléctricos en uno o ambos lados de la lámina de plástico inicial, a una distancia aproximada de 125 mm. La duración del ciclo de calentamiento necesita ser suficiente para ablandar la lámina, dependiendo del polímero, su espesor y color. Los métodos de formado pueden clasificarse en tres categorías básicas:

1. termoformado al vacío,
2. termoformado a presión y
3. termoformado mecánico.

Describirnos aquí los métodos para el formado de material laminar; pero en la industria del empaque la mayoría de las operaciones de termoformado se realizan con películas delgadas.

Es una técnica antigua, aplicable a la mayoría de los termoplásticos. Hoy en día muchos artículos plásticos se obtienen por Termoconformado.

Los procesos de conformado son posibles porque las láminas termoplásticas se pueden ablandar y remodelar al tiempo que se retiene la nueva forma al enfriarse el material. La fuerza necesaria para alterar una lamina hasta transformarla en el producto deseado puede ser mecánica, neumática o de vacío.

El coste de las herramientas empleadas en el termoconformado suelen ser bajos, por lo que este proceso es competitivo, incluso, para tiradas cortas y prototipos.

Existen varias modalidades en el termoconformado:

• Al vacío directo.
• Con macho.
• Con molde coincidente.
• Mecánico.

Termoconformado al vacío directo

El método más antiguo es el termoformado al vacío (llamado simplemente formado al vacío en sus inicios, en los años cincuenta) en el cual se usa presión negativa para adherir la lámina precalentada dentro la cavidad del molde, seguidamente se baja y toma la forma del molde sobre el que se coloca y acciona un estado de vacío para su completa deformación. El proceso se explica en la figura en su forma más básica. Los agujeros para hacer el vacío en el molde son del orden de 0,8 mm de diámetro, así sus efectos en la superficie del plástico son menores.

Se limita a diseños sencillos, pudiéndose producir adelgazamiento en las esquinas. El equipo de termoconformado y las matrices son relativamente baratos. Cuando se enfría el plástico, se saca para su desbarbado o postratamiento, si es necesario.

calentamiento.
(2) Se coloca sobre la cavidad de un molde cóncavo.
(3) El vacío atrae la lámina hacia la cavidad.
(4) El plástico se endurece al contacto con la superficie fría del molde, la parte se retira y luego se recorta de la hoja.]]

El uso del termoformado, tiene grandes ventajas y pueden obtenerse desde una producción menor a grandes volúmenes de producción, adecuando el material y la cantidad de moldes a utilizar al volumen solicitado. El diseño de formas para las piezas a termoformar, es infinito, pero siempre queda como requisito dejar ángulos de salida para su correcto desmolde.

Vídeo externo: Termoconformado al vacío directo

Termoconformado a presión

Una alternativa del formado al vacío involucra presión positiva para forzar al plástico caliente dentro de la cavidad del molde. Esto se llama termoformado a presión o formado por soplado; su ventaja sobre el formado al vacío radica en que se pueden desarrollar presiones más altas, ya que en el método anterior este parámetro se limita a un máximo teórico de una atmósfera. Son comunes las presiones de formado de tres a cuatro atmósferas. La secuencia del proceso es similar a la anterior, la diferencia es que la lámina se presiona desde arriba hacia la cavidad del molde. Los agujeros de ventilación en el molde dejan salir el aire atrapado. La parte del formado de la secuencia (pasos 2 y 3) se ilustra en la siguiente figura.

diferencia está en (2), la lámina se coloca sobre una cavidad M molde y en (3) la presión positiva fuerza a la lámina dentro de la cavidad.]]

Es conveniente distinguir aquí entre moldes negativos y positivos. Los moldes que se muestran en las figuras anteriores son moldes negativos porque tienen cavidades cóncavas. Un molde positivo tiene una forma convexa. Ambos tipos se usan en termoformado. En el caso del molde positivo, la lámina caliente recubre la forma convexa, y se usa presión negativa o positiva para forzar al plástico contra la superficie del molde. El molde positivo se muestra en la siguiente figura para el caso de formado al vacío.

plástico caliente se coloca sobre el molde positivo.
(2) La mordaza desciende en posición, cubriendo el molde con la lámina mientras el vacío fuerza a la lámina contra la superficie del molde.]]

La diferencia entre moldes positivos y negativos puede parecer poco importante ya que las formas de las partes son virtualmente idénticas, como se muestra en los diagramas. Sin embargo, si la parte es embutida dentro de un molde negativo, entonces la superficie exterior tendrá el contorno exacto de la cavidad del molde. La superficie interna poseerá una aproximación del contorno y un acabado correspondiente al de la lámina u hoja inicial. Al contrario, si la lámina recubre un molde positivo, entonces la superficie interior será idéntica a la del molde convexo y la superficie exterior la seguirá aproximadamente. Dependiendo de los requerimientos del producto esta distinción puede ser importante Otra diferencia es el adelgazamiento de la lámina de plástico, el cual constituye un problema en termoformado que debe tomarse en cuenta. A menos que el contorno del molde sea poco profundo, habrá diferencias significativas si la lámina se estira para ser conformada en el contorno del molde. Los moldes positivos y negativos producen diferentes modelos de adelgazamiento en una pieza.

Por ejemplo, considérese una tina. En el molde positivo, al colocar la lámina sobre la forma convexa, la porción que hace contacto con la superficie superior (correspondiente a la base de la tina) solidifica rápidamente y no experimenta prácticamente ningún estiramiento. Esto da corno resultado tina base gruesa, pero un adelgazamiento significativo en las paredes de la tina. Por el contrario, un molde negativo producirá una distribución más pareja del estiramiento y adelgazamiento de la lámina, antes de que ésta entre en contacto con la superficie fría del molde.

Una manera de mejorar la distribución del adelgazamiento en un molde positivo es estirando previamente la lámina antes de recubrir la forma convexa. Como se muestra en la figura siguiente, la lámina de plástico caliente se estira uniformemente por presión de vacío en una forma esférica antes de ponerla sobre el molde.

El paso descrito en el primer cuadro de la siguiente se puede utilizar como un método para producir partes en forma de globo como domos transparentes o tragaluces. En el proceso se aplica presión de aire estrechamente controlada para soplar la lámina suave. La presión se mantiene hasta que la forma soplada se haya solidificado.

el vacío en (2).]]

Termoconformado con macho.

Es similar al conformado al vacío directo, con la salvedad de que después de colocar el plástico en la estructura y calentarlo, se estira mecánicamente sobre un molde macho. Se aplica entonces vacío (en realidad, un diferencial de presión), que empuja el plástico caliente contra todas las partes del molde.Se pueden conformar con macho objetos que tienen una relación profundidad a diámetro hasta de 4:1. Los moldes macho se pueden obtener fácilmente y, por regla general, su coste es menor que el de los moldes hembra, aunque también son más propensos al deterioro.

Enlaces externos

• Termoconformado con macho
• Simulación del termoconformado con macho

Termoconformado con molde coincidente

En esta técnica, se sujeta una lámina calentada y se conforma entre dos troqueles (macho y hembra). El material de los troqueles puede ser madera, yeso, epoxi y otros materiales. Se pueden producir rápidamente piezas exactas con tolerancias mínimas en moldes caros enfriados con agua.

Termoconformado mecánico

Solamente se utiliza la fuerza mecánica para el doblado, estirado o sujeción de la lámina caliente. Se pueden emplear plantillas sencillas de conformado en madera para obtener la forma deseada utilizando hornos, calentadores de cinta y pistolas térmicas como fuentes de calor.Es posible conformar mecánicamente tubos, varillas y otros perfiles.

Tensiones residuales y orientación molecular

En el termoformado la deformación de la lámina plana a una burbuja requiere la aplicación de trabajo sobre el material reblandecido, pero no fundido; por ello siempre es mucho mas sencillo el termoformado de materiales amorfos ya que tienen una meseta elastomerica mucho más larga que la de los cristalinos. Aun en estos, es recomendable usar grados de alto peso molecular que mantengan una cierta rigidez y resistencia a la tracción por encima de la temperatura de fusion cristalina; lo que se denomina resistencia del fundido.

Durante el estirado de la burbuja (en mayor o menor grado, siempre es biaxial) se produce la orientación de las macromoléculas y de las cristalinas en crecimiento, lo que confiere unas mejores características mecánicas al material estirado. Cuando la lámina de partida mantiene una cierta orientación por haber sido fabricada mediante estirado inidireccional (o bidireccional pero no bien equilibrado) debe calentarse a una temperatura suficientemente alta para que pierda la anisotropia de sus propiedades mecánicas.

La mayor homogeneidad de espesores se obtiene al expansionar rápidamente la lámina de material previamente calentada a una temperatura adecuada antes de que la burbuja llegue a tocar las paredes del molde, tanto sea macho, como hembra. Por este motivo el soplado, y alternativamente la aplicacion de vacío deben hacerse con un fuerte caudal de aire, lo que justifica la necesidad de calderines acumuladores de gran capacidad.

Sin embargo, una expansión rápida seguida de un enfriamiento también rápido ocasiona tensiones residuales debidas a la memoria del material. Una vez más, estas tensiones producen deformaciones anómalas cuando el material se calienta. Las macromoléculas de la matriz amorfa quedaron extendidas y tienden a recuperar elasticamente su estado de quilibrio en forma de ovillo ( fenómeno de enrollamiento de las moléculas). Estas tensiones residuales se ponen de manifiesto en los vasos de poliestireno de las máquinas de café, que resisten el líquido caliente, pero si se utilizan para agua hirviendo (temperatura próxima a su Tg) se encogen, especialmente en la zona de los bordes del vaso, donde las tensiones residuales son mayores.

En los materiales cristalinos el enfriamiento debe ser lo suficientemente lento, como para que se alcance el grado de cristalinidad de equilibrio y se eviten los problemas de contracción debidos al fenómenos de poscristalización, tanto mas acusados cuanto mayor sea la temperatura de servicio. por ello los moldes deben mantenerse atemperados a una temperatura bien controlada.

En definitiva dos son las principales variables de operación: la temperatura de la lámina y la del molde. Cuanto más alta sea la primera,tanto más homogéneos seran los espesores y menos las contracciones elásticas; pero existirá peligro de descuelgue del material por falta de resistencia del fundido y de que se degraden termicamente. en la tabla siguiente se relacionan los materiales que se procesan mediante esta técnica, con indicación de sus características del fundido, estabilidad y el intervalo más conveniente para la temperaturas de las láminas.

Polímero Resistencia del fundido Estabilidad térmica Temperatura de operacion (°C) ABS E E 160-200 PVC B B 160-200 Acrílicas B B 150-195 ASA B R/B 165-195 PC R B 195-235 PC/ABS B B 180-220 PET E B 145-175 LDPE M/R E 160-180 HMW/HDPE R/B E 160-205 HIPS E E 165-200 PPO/PS E B 170-205 UPVC R R 145-180 PVC/Acrílicas R/B R/B 165-195 PP homopol. M B 170-185 PS B B 145-180 PSU R E 205-250 PES R E 275-370 PEI R E 450-500 TPU B B 160-185

NOTAS: E, Excelente; B, Buena; R, Regular; M, Mala.

Cuanto mayor sea la temperatura del molde, menos contracciones se producirán por el efecto de la poscristalización y por el envejecimiento de la matriz amorfa, pero la productividad típica de la maquína disminuirá.

Referencias

Bibliografía

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• William D.Callister, Jr. Introducciòn a la ciencia e ngenierìa de los materiales, Volume 2. ISBN 978-84-291-7254-8.(2007)
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• Richardson & Lokensgard. Industria del Plástico: pástico industrial. Paraninfo (Madrid (1999)).

Enlaces externos

• Universidad de Oviedo
• http://pama15.wordpress.com/author/pama15/page/2/