173173CAPITULO 8 Clculos de diseo para moldes Losmoldesdeplsticosonunaentidadcompletaensimismos,capacesde producirpiezasdelaformadeseadacuandosonsatisfactoriamentemontadosenuna mquina de inyeccin. Es muy importante que un molde sea diseado para ser montado y aseguradoenunamquinaconcapacidadsuficiente,quepuedausarelsistemade enfriamiento,elsistemadeexpulsinyotrossistemasdeserrequeridos.Porestoes necesariotenerenmentequehayquedisearunmoldeenbasealosrequerimientosy capacidad de una mquina especfica. 8.1 Informacin necesaria de la mquina para iniciar cualquier diseo de un molde. -Planos de los Platos de montaje -Distancia entre barras gua -Mximo y mnimo espesor posible de un molde -Carrera de cerrado de la prensa -Dimetro de la nariz -Dimetro del agujero localizador -Medidas de los cilindros hidrulicos -Capacidad de inyeccin-Velocidad de plastificacin-Fuerza de cerrado-Fuerza de apertura 174174-Presin de inyeccin -Descripcin y planos del sistema expulsor -Ciclo en seco -Flujo de inyeccin -Poder de inyeccin Para ver los datos en detalle hacer referencia a la tabla 2.4 8.2 Diseo base. Unavezcontandoconestainformacinsepuedecontinuareldiseodelmolde, paraestepropsitosetomarundiseobsicodemoldeestndarcomoyase mencion en el captulo anterior. Figura 8.1 Diseo bsico 175175 Enlatabla8.1sepresentaladescripcinymaterialtpicodecadaunadelas partesdelmoldetomadoscomobaseparaempezarlosclculosdediseo.Esta numeracincorrespondeconlamismadelosclculos,paralosplanosdeensamblese utiliza una numeracin propia.Tabla 8.1 Descripcin de partes y materiales l l l l l l l Nmero DescripcionMaterial1 Placa de montaje mvil Acero al carbono2 Pilar de soporte Acero al carbono3 Camisa Acero Nickel-Cromo endurecido y temp ado4 Perno Gua Acero Nickel-Cromo endurecido y temp ado5 Camisa Acero Nickel-Cromo endurecido y temp ado6 Corazn expulsor Acero Nickel-Cromo7 Perno actuador Acero al carbono8 Perno expulsor de la colada Acero Nickel-Cromo endurecido y temp ado9 Pernos expulsores Acero Nickel-Cromo endurecido y temp ado10 Placa de sujecin de pernos Acero al carbono11 Placa de expulsores Acero al carbono12 Perno de retorno Acero Nickel-Cromo endurecido y temp ado13 Placa de soporte Acero Nickel-Cromo o al carbono14 Cavidades Acero Nickel-Cromo tratado trmicamente15 Buje de colada Acero Nickel-Cromo endurecido y temp ado16 Anillo de localizacin Acero al carbono 8.3 Consideraciones iniciales. Antes de empezar cualquier diseo de un molde, una serie de factores preliminares debenserconsiderados,ysedebetomarunadecisinsobrecualserelmtodode 176176aproximacinadoptadoeneldiseo.Estosfactorespreliminaresincluyen principalmente lo siguiente: -Determinacin del volumen de material a inyectar. -Determinacin de la fuerza de cerrado. -Estimacin del ciclo de moldeo. -Nmero de impresiones en el molde. -Plano de particin. -Posicin de entrada y tipo de alimentacin. Ladeterminacindelvolumendematerialainyectarsepuedecalcularpor medio de AutoCAD en un dibujo del slido de la pieza.La determinacin de la fuerza de cerrado se determina considerando la presin en la cavidad y el rea proyectada de la pieza perpendicular a la accin de cerrado de lamquina,hacerreferenciaalafrmula5.1.Eltiempoquetardaunciclopermite establecereltiemponecesarioparaproducirunnmerodeterminadodepiezas,el costo y la rentabilidad de la produccin. 8.3.1 Duracin del ciclo de inyeccin En el trayecto de la realizacin de este proyecto se ha notado un gran inters por parte de los asesores en cuanto al tiempo de duracin de un ciclo de inyeccin por lo que sededicarunestudiomsdetalladoaesterespecto.Eltiempodeduracindeunciclo 177177permiteestablecereltiemponecesarioparaproducirunnmerodeterminadode piezas, el costo y la rentabilidad de la produccin. Dentrodelasdiferentesetapasdelciclodeinyeccinlasetapasdecierrey apertura del molde se realizan siempre consumiendo el mismo tiempo. La suma de estas etapasdaneltiempodecicloenvaco,queesunaconstantedelamquinayquees indicadaporelconstructordelamisma,elcualindicaelnmeromximodeciclosen vaco por minuto y el tiempo de duracin de un ciclo en vaco. Paraconocereltiempototaldelciclo,esprecisocalcularlostiemposdelasetapas restantesquevarandeacuerdoalageometradelapiezaelmaterialempleadoyotras caractersticasdelamquinacomosedescribiracontinuacin.Dichasetapasrestantes son: 1-Tiempo de inyeccin 2-Tiempo de solidificacin o enfriamiento. 8.3.2.Tiempo de inyeccin. Es el tiempo necesario para que el material llene la cavidad, es decir para que pase desde la nariz de la mquina hasta la ltima seccin de la cavidad. En esta etapa se aplica la presin de inyeccin. Este tiempo suele abarcar de un 5% a un 25% del ciclo total. Paracalcularestetiempoesprecisoconocerelvolumendelmaterialquelamquina puededesplazarporsegundoosealacapacidaddeinyeccin,lacualesindicadaporel constructor de la mquina. Normalmente la capacidad de inyeccin mxima se indica en 178178gramosdepoliestireno.Lacapacidaddeinyeccinenunamquinaseajustapara diferentes casos. La capacidad de inyeccin para otro material se calcula de la siguiente forma: ||.|

\| =PSBDensidadDensidadCIPS CIB (8.1) Donde: -CIB = Capacidad de inyeccin con el material B -CIPS = Capacidad de inyeccin con Poliestireno -DesnsidadB = Densidad del material B -DensidadPS = Densidad del Poliestireno Conociendoaslacapacidaddeinyeccinsepuedeestimareltiemponecesario para la inyeccin por: ||.|

\|=CIPTipieza(8.2) Donde: -Ti = Tiempo de inyeccin en segundos -Ppieza = Peso de la pieza en gramos -CI = Capacidad de inyeccin en gramos por segundo 179179Porotroladosisetomalaformaenlaqueelflujocorreporlacavidaddel molde se puede usar la siguiente formula: |||||.|

\||.|

\||.|

\| =338Tm TcTm TxFlFm STi (8.3) Donde: -Ti = Tiempo de inyeccin en segundos -S = Espesor de pared mnimo de la pieza -Fm = Recorrido mximo del flujo desde la entrada en mm -Fl = Relacin entre: Recorrido mximo de flujo / espesor mnimo de pared -Tc = Temperatura del flujo en C -Tm = Temperatura del Molde en C -Tx = temperatura de distorsin bajo carga del material en C Otra forma de saber el tiempo de inyeccin es utilizando un programa de anlisis de cavidades. El uso de MoldFlowTM en este punto es muy indicado y prctico ya que el sistemadeclculodeMoldFlowTMllamadoporsussiglaseninglsDD/FEAesun sistemarevolucionariomuyprecisodeanlisisporelementofinitodedominiodualel cul no requiere de la intervencin del usuario para generar ningn tipo de preparacin en el modelo slido antes de un anlisis. 1801808.3.3.Tiempo de solidificacin o enfriamiento Es el tiempo requerido para asegurar que la pieza que ha sido inyectada solidifique y adems este en condiciones de ser extrada. Este tiempo es el ms largo en todo el ciclo llegando a ser de un 50% a un 85% del mismo. El tiempo mnimo de enfriamiento de una pieza inyectada se puede calcular por medio de la siguiente frmula[2]: ( )( )((

=Tm TcTm Tx STs4ln22(8.4) Donde. -Ts= Tiempo mnimo de enfriamiento en segundos. -S= Espesor mximo de la pieza en centmetros. - =Difusividad trmica de material (cm2 s-1 / C). -Tx = Temperatura de extraccin de la pieza en C. -Tm = Temperatura del moldeen C -Tc = Temperatura del material fundido en C. 8.3.4.Tiempo total de un ciclo de inyeccin SillamamosTvaltiempodeaperturadelmoldemseltiempodecierredel mismo, entonces el tiempo total de un ciclo es igual a: Ttotal =Tv +Ti+ Ts (8.5) 1811818.3.5.Duracin del ciclo de inyeccin dela pieza de sujecin 8.3.5.1.Tiempo de inyeccin: EltiempodeinyeccinsetomarcomoelcalculadoporMoldFlowTM,enel anlisis de la cavidad de la pieza de sujecin se tuvo el siguiente resultado ilustrado en la figura.8.2. Figura 8.2 Tiempo de llenado de la cavidad de la pieza de sujecin 182182Sepuedeapreciarqueeltiempoquetardaelflujoenllenarlacavidadesde 3.28segundos.Esteesunbuentiemposisetomaencuentaqueconsisteendel5%al 25% del tiempo total del ciclo. 8.3.5.2.Tiempo de solidificacin Tomando en cuenta que la pieza tiene un espesor uniforme de 6mm, que el molde estaralrededorde20Cyqueelmaterialtieneunatemperaturade260C aproximadamente, se tiene lo siguiente. Material: Polipropileno Difusividad trmica = 0.85X10-3 (cm2s-1/C)Temperatura de distorsin bajo carga = 107C Sustituyendo en la frmula 8.4 ( )( ) ((

=CC C cmTs20 260 420 107ln) 10 85 . 0 ( 2) 6 . 0 (32 Y por tanto se obtiene: Ts = 84.7 sec 183183 El tiempo total de inyeccin ser aproximadamente como sigue: Total = Ti+Ts+Tiempo de ciclo en vaco Total = 3.38s+84.7+ Tiempo de ciclo en vaco Total =88.1+ Tiempo de ciclo en vaco. Hay que recordar que el tiempo de ciclo en vaco de la mquina no se sabe an, ya que la mquina de inyeccin no se encuentra totalmente terminada. 8.3.6.Duracin del ciclo de inyeccin de la pieza de soporte 8.3.6.1.Tiempo de inyeccin EltiempodeinyeccinsetomarcomoelcalculadoporMoldFlowTM,enel anlisis de la cavidad de la pieza de sujecin se tuvo el siguiente resultado ilustrado en la figura.8.3 184184 Figura 8.3 Tiempo de inyeccin de la pieza de soporte. El tiempo de inyeccin de esta pieza es: Ti = 4.24 segundos 8.3.6.2.Tiempo de solidificacin Sustituyendo en la frmula 8.4 los mismos valores pues el tiempo de enfriamiento depende del espesor de la pieza y de los parmetros de inyeccin adems del material los cuales son iguales para ambas piezas se tiene: 185185( )( ) ((

=CC C cmTs20 260 420 107ln) 10 85 . 0 ( 2) 6 . 0 (32 De donde: Ts = 84.7 sec El tiempo total de inyeccin ser aproximadamente como sigue: Total = Ti+Ts+Tiempo de ciclo en vaco Total = 4.62+84.7+ Tiempo de ciclo en vaco Total =89.3 + Tiempo de ciclo en vaco. 8.4 Clculos de Diseo. Elnmerodepiezasaproducirenelmoldeesunfactormuyimportantea considerarparapropsitosdeevaluarlarentabilidaddelproceso.Enelcasodeeste trabajosedeterminarunnmerodecavidadestomandoencuentaquelosmoldes cumplirn una funcin didctica dentro de la universidad. 186186La lnea de particin,la entrada y tipo de alimentacin se han decidido ya en captulosanteriores.Lasconsideracionesinicialesparaeldiseodelosdosmoldesse muestran en la siguiente tabla. Tabla8.2 Consideraciones para el diseo de moldes ConsideracinPieza de sujecin Pieza de soporte Volumen de material a inyectar16.18 cm335.96 cm3 rea proyectada21.38cm227.33cm2 Fuerza de cerrado10.4 Ton12.6 Ton Tiempo de enfriamiento mnimo84.7 seg84.7 seg Nmero de cavidades21 Plano de particinPlanoA4Plano A2Posicin de entrada y tipo de alimentacin PlanoM2-00-00 PlanoM1-00-00 Unaveztomadasencuentalasconsideracionesinicialessepuedecomenzarel diseo, para este trabajo se tomaron los siguientes datos recomendados. 187187Tabla 8.3 Datos de presin, deformacin y mdulos de elasticidad. DatosPieza de Sujecin Piezas de Soporte Presin en la cavidad4.6 kg/mm2

4.6 kg/mm2 Deformacin permisibleen la cavidad. 0.127mm a 0.127mm Mdulo de Elasticidad para el acero 200GPa200GPa El diseo se har previniendo el caso ms crtico, adems se disear sobre la base de una deformacin permisible y no basndose enresistencia. Lo anterior se sustenta en el hecho de que el molde debe comportarse de tal forma que la pieza no sufra cambios en la geometra esperada durante ninguna de las fases del proceso. El caso ms crtico es representado por la fuerza mxima de cierre de la mquina yaqueunavezsolidificadalaentradadelmateriallapresindentrodelacavidadcae bruscamentequedandolapiezasinsolidificaraexpensasdeloquelafuerzadecierre final le pueda hacer al molde. 8.4.1 Placas de montaje fija y mvil. Para calcular estas placas se encontraron dos mtodos, los dos se usaron a partir de unageometraespecificada.Se busc que la deformacin no excediera una deformacin permisible de 0.100mm para asegurar suficiente rigidez en el molde. 188188Primer mtodo: Usandolagrficadelafigura8.4,setieneparaunapresindeinyeccinde 60MPa y un mdulo de elasticidad de 210GPa un espesor requerido de aproximadamente 60mm para ambos moldes. Figura 8.4 Grfica para clculo de placas Segundo mtodo: Elsegundomtodoelegidofueelusodelateoradeplacas,esteesunmtodo aproximado pues las condiciones de apoyo en el molde no corresponden exactamente con lascondicionessupuestasparalasfrmulasempleadas.Seeligieronloscasosms prximosalarealidadempleandolasiguienteformulaparadeflexinmximaenel centro de una placa. 18918934maxEtKwL= (8.6) Donde: max = Mxima deflexin en el centro de la placa (m) W= Fuerza aplicada por unidad de rea (Pa) L = Largo de la pieza (m) E = Mdulo de elasticidad (GPa) .t = Espesor de la placa (m) K = Factor de condicin de soporte de la placa Despejando el espesor t la ecuacin 8.6 resulta 34max EKwLt = (8.7) Sustituyendo en 8.7 se tiene =340001 . 0 200) 305 . 0 ( 22 . 5 026 . 0m GPam MPat0.0388m = 1.5in El resultado del segundo mtodo es el escogido pues la presin de inyeccin de la mquina no se sabe con certeza y el primer mtodo depende de esta. 8.4.2 Barras separadoras. Laformaenquetrabajanestasbarrasseaproximaunavigasimplemente apoyadaensusextremosconcargauniformementedistribuidaalolargodeellas.La formula para flexin mxima se muestra a continuacin: 190190EIWLmax38453= (8.8) Donde: max= Mxima deflexin en el centro de la viga (m) W = Carga total aplicada (N) L = Largo de la viga (m) E = Mdulo de elasticidad (GPa) I = Momento de inercia que resiste la deflexin (m4) Despejando el momento de inercia y tomando en cuenta un espesor de 19mm se tiene la siguiente igualdad 12019 . 0max 38453 3hEWLI = =(8.9) Por lo que la altura h de la barra se calcula a partir de: 33max 296 . 760 EWLh = (8.10) Calculando para ambos moldes se encontr: 3314 1 200 296 . 7) 24 . 0 ( 172675 60m E GPam Nh = = 0.099m 100mm 3324 1 200 296 . 7) 1 . 0 ( 172675 60m E GPam Nh = = 0.041m 40mm 191191En resumen: Pieza de SujecinPieza de soporte Altura 40mm100mm 8.4.3 Placa de soporte. Considerando esta placa como un caso de soporte con los lados largos fijos y los lados cortos apoyados para el molde de la pieza de sujecin se tiene: K = 0.028 Substituyendo para este caso en la ecuacin 8.3 se tiene: = =3410001 . 0 200) 240 . 0 ( 5 . 14 028 . 0m GPam MPat 0.041m 1.5in Considerando la placa del molde #2 como un caso de soporte con los lados cortos fijos y los lados largos apoyados se tiene: K = 0.099 Substituyendo para este caso en la ecuacin 8.7 se tiene: =3420001 . 0 200) 2 . 0 ( 3 . 17 099 . 0m GPam MPat 0.051m 2.00in En resumen: Parte del moldeMolde para piezasujecin Molde para pieza de soporte Placa de soporte1.5in2.0in 1921928.4.4 Cavidades. La cavidad debe ser la parte ms rgida del molde por lo que se calcular tomando en cuenta los siguientes factores: -Rigidez de las paredes de la cavidad -Flexin de las placas de cavidades -Compresin de las placas de cavidades 8.4.4.1 Rigidez de la cavidad. Laresistenciarealdeunacavidadescasiimposibledecalcularyenlaprctica esto no se hace, solo se usan aproximaciones a formas simples como placas, cilindros, etc. Enpuntosobviamentecrticos.Unaprcticacomnesconsiderarcadaparedcomouna placalibrementesoportadayconcargauniforme.Parademostraresosehaceusodelo siguiente: Considerando la pieza de soporte, se toma como base una pared de la cavidad de 8mm de alto por 140mm de largo y se tiene lo siguiente: 2/ 6 . 4 mm Kg w == 45MPa K = 0.142 Substituyendo en la ecuacin 8.3 se tiene: 193193 =340001 . 0 200) 140 . 0 ( 45 142 . 0m GPam MPat 0.05m = 50mm > Espesor actual Tomando en cuenta que los 4.6Kg/mm2 representan la mxima presin se vuelve a calcular el espesor para 3.1Kg/mm2 = 30.4MPa. =340001 . 0 200) 140 . 0 ( 4 . 30 142 . 0m GPam MPat 0.04m = 40mm > Espesor actual Considerando ahora que la deformacin mxima permisible es de 0.254mm =34000254 . 0 200) 140 . 0 ( 4 . 30 142 . 0m GPam MPat 0.03m = 30mm = Espesor actual. Debidoaquelaspiezasainyectarnosonpiezasdeprecisinyadems comprendiendoqueelmtodousadoesconservadorseaceptaelhechodeestarenel lmite de espesor mnimo. 8.4.4.2 Rigidez por flexin de la placa de la cavidad. Consideremos al plato de la cavidad como una placa con todos los lados fijos: K = 0.028 =340001 . 0 200) 2 . 0 ( 3 . 17 028 . 0m GPam MPat 0.034 = 1.33in 194194 8.4.4.3 rea de contacto por esfuerzo ltimo de compresin. (8.6) A0 SyFcierre1 .= Donde: A = rea de contacto entre cavidades (m2) F = Fuerza de cierre (N) Sy = Esfuerzo de ruptura del material de las cavidades (Pa) El material elegido para las cavidades es AISI P-20 Recocido con Sy = 414MPaSubstituyendo segn el mtodo en la frmula 8.6 se tiene MPa s m KgA414 1 . 0/ 81 . 9 1040022.5E-3m2 = 25 cm2 Esta rea mnima no representa ningn problema en eldiseo 8.5 Sistema de expulsin. 8.5.1 Perno actuador. Se considera a este elemento como una columna. Calculando el momento de inercia 19519564) 015 . 0 (644 4m DI = == 2.5E-9m4 Calculando el radio de giro m EDm EAreaIrgiro3 76 . 349 5 . 224 == = Se considera que trabaja como una columna fija empotrada entonces con factor de columna K=0.65, por lo que la longitud efectiva es m m KL Le033 . 0 0506 . 0 65 . 0 = = =Calculando la razn de esbeltez 75 . 83 76 . 3033 . 0== =m E mrLRgiroee Calculando la relacin de esbeltez de columna para un acero AISI 4140 rolado en caliente 138207200 2 22 2= = =MPaGPaSyECc Puesto que Re>Cc la columna es corta y entonces la carga crtica es ( )KNGPaMpaMpa m EGParKLSyASy Pcr 5 . 36200 475 . 8 2071 207 4 77 . 1200 4122222=)` =)`|.|

\| = Usando un factor de seguridad N =3 la carga aceptable es KNPcrPa 2 . 123= =Dado que la fuerza de extraccin mxima se calcula como KN Kg ton F Fexterre maximadeci7 700 35 02 . 0 02 . 0 = = = 196196Se puede concluir que el perno no se pandeara al trabajar ya que: KN Pa KN Fext 2 . 12 7 = < = 8.6. Buje de colada, orificio de colada, canales y anillo de localizacin. De acuerdo a lo sugerido en la literatura, las dimensiones recomendadas para estas piezas son las mostradas en las figuras 8.4 y 8.5. Figura 8.4 Dimensiones sugeridas para losanillos de localizacin 197197 Figura 8.5 Dimensiones recomendadas para el buje de colada Las dimensiones finales de estas piezas sern muy parecidas para los dos moldes pues dependen bsicamente de la mquina y de los espesores de las piezas que son muy parecidos. Los diseos finales se muestran de esta piezas se muestran en los planosM1-01-01, M1-01-02, M2-01-01 y M2-01-02 del apndice A.