Análisis Térmico-Estructural de un molde para inyección

de EPSJosé Angel Diosdado De la Peña¹

Héctor Plascencia Mora²Eduardo Aguilera Gómez³

¹ a_diosdado_d@hotmail.com , ² hector.plascencia@gmail.com , ³ eag@salamanca.ugto.mx

Facultad de Ingeniería Mecánica, Eléctrica y Electrónica

Universidad de Guanajuato

1. IntroducciónLa industria del poliestireno expandido (EPS) inició en Europa en los años 50,en México fue hasta los años 70 que comenzó su desarrollo.

Figura 1.1 Esquema de la sección transversal de un molde

convencional con los accesorios necesarios [1].

1: Inyector; 2: Abrazadera; 3: Reborde ciego; 4: Eyector; 5: Punta de prueba

de la presión; 6: Sensor de Temperatura; 7: Boquillas; 8:

Boquillas; 9: Abrazadera de montaje; 10: Junta; 11: Marco de Montaje; 12: Línea de enfriamiento; 13: Soporte; 14: Indicador de temperatura; 15:

Pilar; 16: Perno de apoyo; 17: Indicador de presión; 18: Placa de apoyo; 19: Cámara de vapor; 20:

Cavidad; 21: Núcleo

IntroducciónFabricantes como ERLENBACH GMBH, en Alemania; Doroteo Olmedo S. L.,en España; SHIUH-CHUAN MACHINERY CO., LTD., en Taiwán; y JayshreeMachines & Tools, en la India; construyen y diseñan los moldes conherramientas especializadas de ingeniería.

2. ObjetivoEl molde estudiado se muestra en la Figura 2.1, este tiene un ancho de25.63cm, una altura de 66.76cm y una profundidad de 11.56cm.

Figura 2.1 Molde analizado. (a) Molde completo, (b) grietas identificadas en la parte superior izquierda, y (c) vista trasera del molde mostrando perforaciones formadas

(a)

(b)

(c)

Objetivo

El objetivo de esta investigación es elahorro de energía en el proceso de moldeode EPS, para ello se analiza un molde enoperación y en base a los resultadosidentificar factores que afectan eldesempeño del mismo.

Objetivo

Figura 2.2 Efectos sobre las piezas moldeadas (a) imperfecciones en la superficie debido a perforaciones en el molde, (b) mala adherencia entre las perlas de EPS.

(a) (b)

El molde está conformado por 38 piezas y se generó cada una enCATIA y se ensamblaron en un solo producto.

3. Mediciones de Campo: Geometría

Figura 3.1 Modelo en CATIA del molde. (a) Frente, (b) Posterior

(a) (b)

Mediciones de Campo: Temperatura

Figura 3.2 Medición de temperatura con (a) termopar tipo J y (b) Controlador de temperatura OMRON E5EJ-A2HB-F

(a)

(b)

Mediciones de Campo: Temperatura

Figura 3.3 Medición de presión con (a) transductores de presión PX219-30V135G5V conectados a una fuente de 24V y (b) tarjeta de adquisición datos NI USB-6229

(a) (b)

Mediciones de Campo: DeformaciónLa galga utilizada tiene el código WA-13.125RA-120, que es de uso generaltipo roseta de 45° para aluminio. Debido al proceso para el moldeo de laespuma, la galga se protegió contra altas temperaturas y un ambienteagresivo, esto se logró pegándola con adhesivo especial M-Bond 600 ycolocándole la protección ambiental M-Coat F.

Figura 3.4 Medición de deformación con (a) Galga extensiométrica WA-13-125RA-120, pegada con (b) M-BOND 600, un adhesivo para altas temperaturas; y (c) protegida

con M-Coat F, protección ambiental para medios agresivos

(a) (b) (c)

Mediciones de Campo: Resultados

Figura 3.5 Resultado de las mediciones. Cargas transitorias de (a) temperatura y (b) presión.

Temperatura vs. tiempo

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Tiempo [seg]

Tem

pera

tura

[°C]

Presión vs. tiempo

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Tiempo [seg]

Pres

ión

[kPa

]

Se determinó la deformación sufridapor el molde en el punto donde secolocó la galga, esta fue ε1= -0.000265m/m en una rejilla a 45 ° yε2= -0.000281 m/m en la rejilla a90°.

(a)

(b)

4. Simulación del molde

La simulación del molde actual se hizo en dos partes, la primera es unanálisis térmico del molde completo con todos los insertos y lasegunda un análisis térmico-estructural de la base del molde. Enambas, se consideró que:

•El molde es de un solo material, homogéneo e isotrópico.

•Las propiedades del material dependen de la temperatura, debido alcambio de temperatura al que se somete el molde.

•Las cargas de temperatura y presión solo se aplican en el dorso ybarrenos del molde, de manera tal que se simulen el calentamiento porel flujo de vapor y el enfriamiento con agua.

Simulación del molde: Análisis Térmico

(a) (b)

(c)

Figura 4.1 Preparación de la geometría en DesignModeler. (a) Molde importado en ANSYS Workbench, (b) Molde con las

operaciones Freeze, Slice y Form New Part y (c) Geometría

preparada para simulación.

Simulación del molde: Análisis Térmico

2.30E+08

2.35E+08

2.40E+08

2.45E+08

2.50E+08

2.55E+08

2.60E+08

2.65E+08

2.70E+08

2.75E+08

2.80E+08

2.85E+08

-17.78 37.78 93.33 148.89

Temperatura [°C]

Esfu

erzo

de C

eden

cia [P

a]

0.00E+00

5.00E+07

1.00E+08

1.50E+08

2.00E+08

2.50E+08

3.00E+08

3.50E+08

-30 24 100 150

Temperatura [°C]

Esfu

erzo Ú

ltimo [

Pa]

Propiedades Aluminio 6061 [2-3]

Simulación del molde: Análisis TérmicoSe selecciona un análisis térmico transitorio “Transient Thermal Analysis”, con 34pasos de carga, uno por cada segundo del periodo definido en la sección 3 y unatemperatura inicial de 53.33°C.Se formaron las conexiones de forma manual, en base a las condiciones deensamble observadas en el molde. Un total de 116 pares de contacto tipo“Bonded”, con un valor de conductancia térmica o resistencia de contacto de2000 W/m²·°C, que se considera un valor crítico para el contacto aluminio-aluminio [4-6]

Simulación del molde: Análisis TérmicoSe malló usando Hex Dominant Method, con un tamaño de elemento de 3.81 mm(0.15in).

Figura 4.2 Malla generada. (a) Molde

completo. (b) acercamiento a la parte

superior del molde

Nombre Descripción Cantidad

SOLID87 Tetraedro térmico sólido de 10 nodos 57258

SOLID90 Sólido térmico de 20 nodos 205404

CONTA174 Contacto Superficie-Superficie de 8 nodos 19274

TARGE170 Segmento de objetivo 15074

Total 297010

(a)

(b)

Tabla 4.1 Resumen de elementos en la malla.

Simulación del molde: Análisis TérmicoSe aplica la carga de temperatura transitoria de la Figura 3.5a en el dorso ybarrenos del molde.

Figura 4.3 Carga de temperatura transitoria

aplicada a las caras dorsales del modelo

Simulación del molde: Análisis Térmico-Estructural de la base

Figura 4.4 Base preparada para

simulación

Figura 4.5 Base mallada

Elemento Térmico

A ElementoEstructural Descripción Cantidad

SOLID87 SOLID187 Tetraedro sólido de 10 nodos 14345

SOLID90 SOLID186 Sólido de 20 nodos 69005

Total 83350

Tabla 4.2 Resumen de los elementos de la malla.

Simulación del molde: Análisis EstáticoCon un solo paso de carga se realiza un análisis térmico-estructural, con unanálisis térmico estable con carga de temperatura igual a 112.33°C y un estáticoestructural con presión de 101.40kPa, las restricciones de movimientos y unatemperatura de referencia de 53.33°C.

Figura 4.6 Cargas del análisis térmico estable-estático estructural.(a) Temperatura (b) Presión y restricciones de movimiento

Simulación del molde: Análisis Estático

Figura 4.7 Solución estructural del análisis estático. (a) Base completa. (b) acercamiento a la zona de esfuerzo máximo

(a) (b)

La solución estructural muestra una concentración de esfuerzos en la zona de losapoyos. Se identifica el esfuerzo máximo de de von Mises igual a 605.1MPa.

Simulación del molde: Análisis Transitorio

Figura 4.8 Cargas del análisis térmico transitorio-dinámico flexible.(a) Temperatura (b) Presión y restricciones de movimiento

Ahora se consideran los 34 pasos de carga, un análisis térmico transitorio, unanálisis dinámico flexible y la malla de la Figura 4.5. Temperaturas inicial y dereferencia iguales a 53.33°C. La carga de temperatura transitoria de la Figura 3.5ay la presión transitoria de la Figura 3.5b, además de las restricciones demovimiento. Se colocó una Stress Probe y una Temperature Probe en el puntodonde se encontró el esfuerzo máximo del análisis estático.

Simulación del molde: Análisis TransitorioPara obtener la deformación en el punto donde se colocó la galga, se realizó unanálisis similar al anterior, pero considerando el efecto de su protección.

Con la carga de temperatura transitoria carga varía entre 53.33°C y 78.40°C sobreel área que cubre la protección de la galga.

Temperatura en la protección

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Tiempo [seg]

Tem

pera

tura

[°C]

Figura 4.9 Carga de temperatura sobre la zona

de la galga y su protección.

Simulación del molde: Análisis TransitorioAdemás, se colocan Strain Probes en el punto donde se pegó la galga.

Figura 4.10 Strain Probes en la posición de la galga. (a) Orientada a 45° y (b) orientada a 90°.

(a) (b)

5. ResultadosLa solución del análisis térmico transitorio del molde en tres instantes diferentes detiempo.

Figura 5.1 Campos de temperatura del molde en (a) segundo 1.

(a)

ResultadosLa solución del análisis térmico transitorio del molde en tres instantes diferentes detiempo.

Figura 5.1 Campos de temperatura del molde en (b) segundo 11.

(b)

ResultadosLa solución del análisis térmico transitorio del molde en tres instantes diferentes detiempo.

Figura 5.1 Campos de temperatura del molde en (c) segundo 34.

(c)

ResultadosLa solución del análisis térmico transitorio de la base en tres instantes diferentesde tiempo.

Figura 5.2 Campos de temperatura de la base en el (a) segundo 1

(a)

Resultados

Figura 5.2 Campos de temperatura de la base en el (b) segundo 11

(b)

La solución del análisis térmico transitorio de la base en tres instantes diferentesde tiempo.

Resultados

Figura 5.2 Campos de temperatura de la base en el (c) segundo 34

(c)

La solución del análisis térmico transitorio de la base en tres instantes diferentesde tiempo.

La distribución de esfuerzos en la base en el segundo 11.

Resultados

Figura 5.3 Solución de esfuerzos de la base en el segundo 11.

ResultadosCon los resultados de las Stress Probe y Temperature Probe colocadas en elpunto crítico y las propiedades del Aluminio 6061:

Figura 5.4 Comparación de los esfuerzos de von Mises, de

Cedencia y Último en el punto crítico.

0.00E+00

1.00E+08

2.00E+08

3.00E+08

4.00E+08

5.00E+08

6.00E+08

7.00E+08

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

seg

Pa

Esfuerzo devon Mises

Esfuerzo deCedencia

EsfuerzoÚltimo

Con las Strain Probes en la posición de la galga, se determinó una deformaciónε1= -0.000258m/m en la dirección a 45 ° y ε2= -0.000247m/m dirección a 90°.Comparando con las obtenidas con el puente de Wheatstone, se tiene unadiferencia del 2.81% para la deformación a 45° y de 11.99% para le deformacióna 90°

6. Conclusiones

No hay un calentamiento homogéneo y las zonas de

contacto lo afectan negativamente

1:

La poca elevación de la temperatura en algunas zonas, explica la mala

adherencia.

Acercamiento a la Figura 5.1b

Figura 2.2b

Conclusiones2:

Punto crítico

Figura 2.1c

Figura 4.7b

Conclusiones3: El campo de temperaturas es más homogéneo si se tiene una solapieza y un espesor más uniforme.

Al hacer el molde completo de una sola pieza, se eliminarán las zona decontacto

Figura 5.2b

Conclusiones4:

0.00E+00

1.00E+08

2.00E+08

3.00E+08

4.00E+08

5.00E+08

6.00E+08

7.00E+08

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

seg

PaEsfuerzo devon Mises

Esfuerzo deCedencia

EsfuerzoÚltimo

El campo de esfuerzos es relativamente uniforme, con incrementos muy

significativos en zonas cercanas a los apoyos.

Figura 5.3

Figura 5.4

Conclusiones5:

Figura 4.7b

Figura 2.1c

Figura 2.1b

Figura 2.2c

Conclusiones

6: Las diferencias entre las deformaciones obtenidas con el puente deWheatstone y las obtenidas con ANSYS Workbench, es de 2.81% para el caso a45° y de 11.99% en el caso a 90°, con lo cual se tiene una diferencia promediode 7.4%, lo que se interpreta como un rango de error aceptable.

7: Basándose en los puntos anteriores y en siguientes las suposiciones:•el molde esta hecho de un solo material, homogéneo eisotrópico,

•sus propiedades dependen de la temperatura, debido al cambio detemperatura al que se somete, y•que las cargas de temperatura y presión solo se aplican en eldorso y barrenos del molde.

Se concluye que el modelo es una aproximación aceptable del molde usado enel proceso.

Conclusiones

8: En base a estas conclusiones y a los resultados de la sección 5, se proponen

los siguientes análisis futuros:

Un análisis térmico transitorio del molde completo, eliminando las zonas

de contacto y por ende sin resistencia de contacto.

Un análisis térmico-estructural transitorio de una propuesta de mejora del

molde, con el objetivo de tener una alternativa que presente un

calentamiento más uniforme y que requiera menos mantenimiento que el

actual.

7. Referencias[1] STOECKHERT, K. & MENNIG G., “Mold-making Handbook”, 2nd Edition, pp. 168-177, Ed. Hanser,

Munich, 1998.[2] MASUBUCHI, K., “Analysis of Welded Structures: Residual Stresses, Distortion, and their

Consequences”, pag. 160, Pergamon Press, 1980.[3] HENRY, S. D. & DAVIS, J. R., “Aluminum and aluminum alloys”, 1st Edition, pp. 465-482, 685-686; ASM

International, USA, 1993.[4] LIENHARD, J.H., & LIENHARD, J.H., “A Heat Transfer Textbook”, 3rd Edition, pag. 66, Phlogiston

Press, Cambridge, 2006.[5] YOVANOVICH, M.M.: “Thermal Interface (Joint) Conductance and Resistance”. Ontario. [En línea]

Disponible en:http://www.mhtl.uwaterloo.ca/old/courses/ece309/notes/conduction/cont.pdf[25 de febrero de 2008]

[6] GENERAL ELECTRIC COMPANY Space Systems Organization: “A Joint Heat Transfer Data: CriticalStudy and Design Guidelines”. Philadelphia. [En línea] Disponible en:http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19710026870_1971026870.pdf[12 de marzo de 2008]

[7] SINCLAIR, I., “Sensors and transducers: a guide for technicians”, 2nd Edition, Newes, Oxford, 1992.[8] OMEGA Engineering: “Thermocouples- An Introduction”. USA. [En línea] Disponible en:

http://www.omega.com/thermocouples.html [8 de junio de 2008][9] DALLY, J. & RILEY, W., “Experimental Stress Analysis”, 3rd Edition, pp. 164-255, McGraw-Hill, New

Jersey, 1991.

7. Referencias[10] CATIA V5 Release 16 User’s Documentation, Dassault Systèmes, 2005. [11] LabVIEW Measurement Manual, pp. 6.1-11.4, National Instruments, 2004.[12] Instruction Bulletin B-130: Strain Gage Installation with M-Bond 43-B, 600, and 610 Adhesive Systems,

. Vishay Micro-Measurements, 2005.[13] Instruction Bulletin B-134-4: M-Coat F Aplication Instructions, Vishay Micro-Measurements, 2002.[14] ANSYS Coupled Field Analysis Guide, ANSYS Inc., Pennsylvania, USA, August 2005.[15] Release 11.0 Documentation for ANSYS Workbench, “DesignModeler Help”, ANSYS Inc., 2007.[16] Release 11.0 Documentation for ANSYS Workbench, “Simulation Help”, ANSYS Inc., 2007.[17] Release 11.0 Documentation for ANSYS Workbench, “FE Modeler Help”, ANSYS Inc., 2007.[18] ASHBY, M. F. & CEBON, D.: “New Approaches to Material Education for Students of Engineering”. . Cambridge. [En línea] Disponible en: . http://www.grantadesign.com/download/pdf/newapproaches.pdf. [9 de mayo de 2008][19] Johnson A.T., Benjamin M.B. and Silverman N., “Oxygen consumption, heat production, and muscular

efficiency during uphill and downhill walking”, Applied Ergonomics, volume 33, Issue 5, pp 485-491,September 2002.

[20] YUTOPIAN: “Thermal and Mechanical Properties of Teflon (Polytetra Fluoroethylene)”. [En línea]Disponible en:http://www.yutopian.com/Yuan/prop/Teflon.html[10 de mayo de 2008]

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