ACTIVITAT CONFORMATS Enginyeria de Materials : Fabricaci dampolles de plstic

Adri Prez Martnez ( G11 ) Enginyeria Industrial en Mecnica

1

ndex

Introducci ................................................................................................................................... 2 Materials utilitzats ........................................................................................................................ 2 Procediments generals del conformat : Emmotllament per injecci .............................................................................................. 3 Emmotllament per extrusi ............................................................................................. 3 Emmotllament per insuflaci daire ................................................................................. 4 Emmotllament al buit ...................................................................................................... 4 Calandrat ........................................................................................................................ 5 Conformat ampolles de plstic: Extrusi-Bufat ................................................................................................................. 6 Bufat-Estirat .................................................................................................................... 9 Injecci-Bufat ................................................................................................................ 10 Bibliografia ................................................................................................................................. 12

2

Introducci

Una ampolla s un recipient fabricat en diversos materials rgids o semi-rgids (metall, vidre o plstic ) utilitzat per contenir diferents tipus de lquids refrescos, aliments, cosmtica, ...) Dels tres tipus de material en que es fabriquen, el ms utilitzat s el plstic (degut al seu baix cost, lleugeresa, utilitat i per tractar-se dun material fcilment reciclable. Normalment amb un tancament (tamb de plstic) de tap roscat. El plstic per fabricar les ampolles dependr de ls que se li vulgui donar. Per lo general es tractar del grup dels

termoplstics ja que en la seva fabricaci es necessita que el material tingui un comportament viscs i que es pugui deformar al obtenir una temperatura determinada. Daquesta manera al introduir una preforma en un motlle i bufar aire a pressi en el seu interior, el material podr expandir-se fins adoptar la forma del motlle. Igualment, al refredar el material, aquest tindr que recuperar les seves propietats anteriors.

Materials utilitzats

Els materials utilitzats en la seva fabricaci es componen bsicament de la famlia dels termoplstics :

- PET : Politereftalat de etil sutilitza habitualment per begudes carbonatades i

ampolles daigua, ja que proporciona propietats barrera molt bones, una bona resistncia qumica, una gran resistncia a la degradaci per impacte i resistncia a la tensi.

- PVC : Policlorur de vinil t una gran resistncia als olis i molt baixa transmissi a loxigen. Proporciona una barrera excellent a la majoria de gasos i la seva resistncia a limpacte per caiguda tamb s molt bona. Aquest material es resistent qumicament per vulnerable a solvents.

- PP : Polipropil proporciona un embalatge rgid amb excellent barrera a la

humitat. Una de les major avantatges s la seva estabilitat a altes temperatures, fins als 200

o F a ms de oferir potencial per lesterilitzaci amb

vapor. T escassa resistncia a limpacte en temperatures fredes. - Poliestir : Ofereix claredat i rigidesa a un cost econmic. Generalment,

sutilitza per productes secs. No proporciona bones propietats barrera i mostra poca resistncia a limpacte.

- PEAD : Polietil dAlta Densitat s la resina ms extensa per la fabricaci

dampolles ja que s econmic, resistent als impactes i proporciona una bona barrera contra la humitat. Ofereix bona protecci a temperatures sota el nivell de congelaci per no pot ser utilitzat a temperatures per sobre dels 71.1

o C o

per productes que necessiten un segellat hermtic. - PEBD : Polietil de Baixa Densitat s similar al PEAD per menys rgid,

generalment menys resistent qumicament i s significativament ms barat.

3

Procediments generals de conformat

A partir dels polmers i dacord amb el tipus article que es desitja confeccionar sutilitzen

diferents procediments. El principals sn:

Emmotllament per injecci

Un mbol o pist d'injecci es mou rpidament cap endavant i cap enrere per empnyer el plstic estovat per la calor a travs de l'espai existent entre les parets del cilindre i una pea reescalfada i situada al centre d'aquest.

Aquesta pea central s'utilitza, donada la petita conductivitat trmica dels plstics, de manera que la superfcie de calefacci del cilindre s gran i el gruix de la capa plstica escalfada s petita.

Sota l'acci combinada del calor i la pressi exercida pel pist d'injecci, el polmer s prou fluid com per arribar al motlle fred on pren forma la pea en qesti. El polmer estar prou fluid com per omplir el motlle fred. Passat un temps breu dins del motlle tancat, el plstic solidifica, el motlle s'obre i la pea s remoguda. El ritme de producci s molt rpid, d'escassos segons.

Emmotllament per extrusi

S'utilitza un transportador de cargol helicodal. El polmer s transportat des de la tremuja (tolva), a travs de la cmera d'escalfament, fins a la boca de descrrega, en un corrent continu.

A partir de grnuls slids, el polmer emergeix de la matriu d'extrusi en un estat tou. Com l'obertura de la boca de la matriu t la forma del producte que es desitja obtenir, el procs s continu. Posteriorment es talla en la mesura adequada.

4

Emmotllament per insuflaci daire

s un procs usat per fer formes buides (ampolles, recipients). Un cilindre plstic de parets primes s extrut i desprs tallat en el llarg que es desitja. Desprs el cilindre es colloca en un motlle que es tanca sobre el polmer estovat i li suprimeix la part inferior tallant. Un corrent d'aire o vapor s insuflat per l'altre extrem i expandeix el material fins a omplir la cavitat. El motlle s refredat per l'enduriment.

Emmotllament al buit

Mitjanant aquest procs es comprimeix una xapa de resina termoplstica estovada per la calor contra un motlle fred. La xapa pren i conserva la forma del motlle. Aquest mtode s'empra per a revestiments interiors (portes de frigorfics, gabinets, etc.)

5

Calandrat

El procs s'empra per a la fabricaci de xapes i plstics. Consisteix en passar un polmer convertit en una massa tova entre una srie de corrons escalfats. A mesura que el polmer passa a travs dels corrons es forma "un producte uniforme. L'ltim parell de corrons s'ajusten per donar el gruix desitjat. El sistema de rodets de refredament dna a les xapes o pellcules la seva estructura molecular permanent.

6

Conformat ampolles de plstic

A partir dels procediments generals de conformat, en sorgeixen els especfics en

lelaboraci dampolles de plstic.

Extrusi-bufat

Aquest procs permet obtenir recipients de mides petits i de grans volums (~ 1m3). El motlle produeix el tall i soldadura del paris a l'extrem tancat, i dona la forma de l'obertura del recipient.

La primera etapa per aconseguir una pea de les caracterstiques finals adequades es lobtenci del precursor. Es pot observar ( figura 1 ) la vista frontal dun filtre duna mquina dextrusi utilitzada per la fabricaci de preformes en aquest tipus de processos.

( figura 1 )

La relaci del bufat es RS = Db/DP ( figura 2 ) on tamb podem observar el motlle de bufat i producci del coll dampolla mitjanant compressi del material ( figura 3 )

( figura 2 ) ( figura 3 )

7

En les mquines dextrusi-bufat continu per bufat el precursor tubular fos es produeix sense interrupci passant per lextrusi de la preforma ( figura 4 ), introducci de la preforma en el motlle de bufat ( figura 5 ), introducci daire mitjanant el filtre de bufat ( figura 6 ), refredat de la pea en linterior del motlle ( figura 7) i finalment el desemmotllament ( figura 8)

( figura 4 ) ( figura 5 ) ( figura 6 ) ( figura 7 ) ( figura 8 )

Per aquest mtode no es fa individualment pels evidents costos de producci que suposa, aix hi ha diferents maneres de reduir el temps de procs, els motlles en llanadora ( figura 9 ) capal acumulador i motlles en lnia ( lextrusora acumula material en el capal mentre no extrudeix els parisons ( figura 10 ) i motlles en carrusel ( figura 11 )

( figura 9 ) ( figura 10 )

( figura 11 )

8

Extrusi de parisons de gruix variable i programat, perqu el gruix final del recipient sigui homogeni. El control es realitza mitjanant torpede mbil:

Els extrems dels parisons es reciclen en el procs. Els motlles treballen a pressions suportades moderades (0,5 MPa) que poden ser d'alumini, amb alta conductivitat. La velocitat de refredament es controlada per la baixa conductivitat del polmer. L influncia de la temperatura del motlle en materials semi-cristallins poden ser : - Motlle fred: baix cristallitzat en la superfcie: superfcie brillant. - Motlle a temperatura moderada: major desenvolupament de cristalls. Material ms rgid i resistent. - Motlle calent: s'obt el cristallitzat ms elevat. Superfcie mate (els cristalls produeixen reflexions i refraccions de la llum per la seva grandria). Envasos multicapa per co-extrusi. Ocupaci, per exemple, de capes amb baixa permeabilitat a gasos, de capes internes de material reciclat, ... Algun exemple de recipients multicapa podem mencionar la inserci de capa de baixa permeabilitat ( EVOH ) capes duni i capa de material reciclat ( figura ) o la inserci de capa reciclada ( figura ).

9

Bufat-Estirat ( Stretch Blow Molding, SBM )

Aquest procs es basa en que lestirat millora les propietats mecniques en la direcci de lestirat. En extrusi + bufat, la direcci axial del recipient no aprofita aquest efecte. Es tracta de realitzar un procs extrusi + estirat + bufat, perqu hagi estirat en direcci tant en circumferncia com axialment. Les etapes les podem diferenciar per l extrusi i pre-bufat (convencional) d'una preforma, en motlle previ ( figura 12 ), estirat mitjanant empenyedor i bufat en el motlle final ( figura 13 ) i finalment la ejecci ( figura 14 )

( figura 12 ) ( figura 13 ) ( figura 14 )

Un cop obtingut la preforma es t que impedir la cristallitzaci del material per evitar que puguin aparixer zones opaques, per aix el refredament al que es sotms la preforma ha de ser rpid. Una vegada que sobt la preforma totalment amorfa, es calenta a una temperatura lleugerament superior a la Tg (95-100C en el cas del PET) i sel sotmet a tensi, el que indueix a la formaci de petites lamelles de cristalls, suficientment petites per mantenir la transparncia.

El mtode per accelerar el refredament pot ser per corrent de gas interior amb filtre d'entrada i de sortida. La velocitat de refredament dependr de :

-Materials de baixa cristallinitat: el refredament ha de ser rpid per mantenir lorientaci molecular en zones amorfes. -Materials d'alta cristallinitat: depn de la velocitat de la cristallitzaci. L'objectiu s obtenir cristalls orientats en forma de plaquetes paralleles a la superfcie (no esferulites)

Aquest procs s adequat per produir ampolles de begudes carbonatades que tenen que ser impermeables al CO2 i que tenen que suportar pressions altes en el seu interior .

Les principal avantatges del procs respecte el mtode anterior sn :

- Ofereix el cost total ms baix - Produeix les ampolles de menor pes - Els precursors poden dissenyar-se per optimitzar les propietats de lampolla - Els precursors es poden produir en una etapa independent i emmagatzemar,

segons les necessitats de la producci i la demanda - Permet leficcia ms elevada de producci tant de precursors com dampolles

La principal desavantatge del procs de dos estats es el cost de la inversi.

10

Injecci-bufat

Aquest procs desenvolupa la tcnica de bufat per PET que resulta ser un material apropiat per envasos de begudes. Per requereix dunes propietats mecniques que permetin un PET cristallitzable de baix MW i on el fos no s resistent per auto-suportar els parisons. Per mantenir transparncia els cristalls han de ser petits i on es busca obtenir laminites bio-orientades (no esferulites) pot aconseguir a TFC-80 C amb tensi biaxial (stress-induced crystallization). Proporcionen excellents propietats mecniques: alt mdul, resistncia i tenacitat.

Les etapes del procs passen per un emmotllament per injecci de preformes. En el cas d'ampolles, inclouen la boca. Refredament molt rpid per evitar cristallitzaci de grans esferulites ( figura 15,16 i 17 ) i un bufat dins de motlle definitiu. El filtre de bufat pot actuar com pist d'estirat. S'obtenen cristallines bio-orientades com s'ha explicat anteriorment ( figura 18, 19 i 20)

( figura 15 ) ( figura 16 ) ( figura 17 )

( figura 18 ) ( figura 19 ) ( figura 20 )

El principal avantatge enfront extrusi-bufat es que t menor quantitat de material que es talla i recicla. Es poden fer envasos multicapa per co-injecci ( figura 21 )

11

( figura 21 )

El mtode Gussoni es molt utilitzat per lindustria i utilitza una taula rotatria horitzontal (figura) al voltant de la qual es munta la part positiva del motlle del precursor (barra central). En la primera estaci, la part negativa del motlle precursor es tanca sobre la positiva, i els precursors son injectats per una mquina dinjecci convencional. El motlle dinjecci sobre i el precursor es trasllada sobre la barra central fins la segent estaci, on el motlle de bufat es tanca al voltant del precursor calent, i es bufa a travs de lobertura que hi ha en la barra central. Desprs del refredament, els articles bufats es retiren del motlle. En la representaci ( figura 22 ) es pot observar el procs global per una mquina de 3 estacions.

( figura 22 )

Algunes mquines per injecci tenen una quarta estaci que pot utilitzar-se per diferents propsits, com el tractament superficial del material o etiquetatge dampolles desprs del bufat.

Les principal avantatges del motlle per injecci respecte el procs dextrusi-bufat son:

- El procs produeix articles totalment acabats i no es produeixen talls - Lalta qualitat del motlle del coll proporciona una precisi dimensional important i

acabats aptes per nens - Els precursors mollejats per injecci permeten un control precs del pes i de

lespessor de la paret - No hi ha senyal del punt on sintrodueix el filtre de bufat en lampolla - Alta productivitat

En les principals desavantatges podem mencionar que no es pot utilitzar per produir ampolles amb nanses i el cost de la maquinria es molt ms elevat que el dextrusi-bufat ja que la producci dun envs individual requereix dun motlle dinjecci una barra central, i un motlle de bufat. No se sol utilitzar per envasos superiors a mig litre

12

Bibliografia Michel L.Berins, Plastics Engineering Handbook, Van Nostran Reinhold, New York, 1991 Dominick Rosato, Plastics Processing Data Handbook, 2

nd ed. Chapman & Hall,

London, 1997 William D.Callister, Jr , Introduccin a la Ciencia e Ingenieria de los Materiales, Editorial Revert, S.A. , Barcelona, 1998

Textos cientficos, Polimeros, [en lnia]. 2005. Disponible en la web: http://www.textoscientificos.com Wikipedia, Botella de plstico, [en lnia]. 13 enero 2014. Disponible en la web http://es.wikipedia.org/wiki/Botella_de_pl%C3%A1stico M.Dolors Riera, Enginyeria de Materials: Material docent [en lnia/restringit]. Atenea UPC 2013. Disponible en la web : http://atenea.upc.edu