INYECCION DE ALUMINIO A BAJA PRESION

Observaremos las principales características de los proceso y de los sistemas involucrados para realizar la inyección a baja presión.

Este proceso es muy complejo debido a que involucra muchas variables físicas como la termodinámica, la mecánica de fluidos y la metalurgia de las cuales requieren una interacción muy precisa para lograr una alta eficiencia y calidad.

1. ALUMINIO.

Según el tipo de producto que requiera fabricarse es necesario realizar los análisis respectivos sobre las propiedades mecánicas que este necesita para cumplir con la funcionalidad respectiva.

Para nuestro caso de la producción de Rines en Aleación de Aluminio para automóvil o motocicleta, los materiales deben cumplir con unas altas exigencias ya que este producto se denomina de seguridad, es decir que una falla estructural puede comprometer la vida de los ocupantes.Para esta aplicación pueden utilizarse dos tipos de aleación:

Alsi11.

Tiene muy buenas propiedades mecánicas y alta resistencia a la corrosión para que el vehículo pueda adaptarse a las condiciones del camino y el clima. Pero para cumplir con las pruebas mínimas de tensión, tracción, fatiga y flexión es necesario tener unos espesores agradecidos en sus geometrías.

Dentro de sus aleantes se encuentran el Silicio, magnesio, titanio, estroncio y el boro.Su composición química esta conformada en un 88% de Aluminio, un 11% de Silicio y un 1% entre los otros aleantes.

Alsi7 (A36).

Esta aleación provee unas excelentes propiedades mecánicas y alta resistencia a la corrosión, superiores a las del Alsi11, pero requiere un tratamiento térmico adicional compuesto por una solubilizacion y un envejecimiento. Lo cual le

genera mejorar significativamente sus propiedades mecánicas y así disminuir sustancialmente los espesores para aumentar la diversidad de geometrías en el diseño de los estilos. Esta aleación se empezó a utilizar inicialmente en la fabricación de piezas aero espaciales dando excelentes resultados en las pruebas físicas.

Requerimientos mínimos del Aluminio para la inyección.

Para realizar la inyección a baja presión es necesario garantizar que la aleación de Aluminio tenga la composición química adecuada según el tipo utilizado, debe estar libre en el contenido de moléculas de hidrogeno, ya que este gas atrapado puede generar porosidades internas. También es necesario estar libre de impurezas y óxidos (escoria) para evitar que poros e impurezas generen concentradores de esfuerzo no deseados en la pieza.

La temperatura del Aluminio debe ser la adecuada y dentro de los límites establecidos para cada aleación y/o tipo de producto a inyectar.

Fig. 1. Recipiente en donde se transporta el Aluminio

Situación actual.

La temperatura y las características del aluminio antes de ser llevado al horno de las inyectoras son las adecuadas y están dentro de los límites de control estandarizado.

2. MOLDE PERMANENTE.

Para este tipo de producto es necesario la utilización de un molde permanente diseñado con las partes fijas y móviles necesarias para la inyección del material y luego la salida adecuada del producto. Este molde esta fabricado con materiales adecuados con propiedades especiales de resistencia mecánica, resistencia a la abrasión y muy buena transferencia térmica. Por lo general el material utilizado para su fabricación es el acero H13, el cual cumple con estas características.

Su diseño estructural y dimensional para que resista altas presiones mecánicas y evitar deformaciones, la determinación de espesores adecuados y áreas en el que fluye el metal enfocados en generar una solidificación direccionada adecuada según el tamaño y la geometría del producto.

Dentro de su diseño se integra el sistema de distribución para la refrigeración interna del molde en la búsqueda de mejorar y acelerar la solidificación del aluminio y así obtener mejores resultados productivos.

Fig. 2. Parte superior del molde (MACHO)

Fig. 3. Parte inferior del molde (HEMBRA) El molde se compone comúnmente de tres partes, molde superior o (Macho), molde inferior o (hembra) y 4 dados laterales.

Las zonas del molde que estarán expuestas en mayor proporción con el Aluminio son en acero H13, otras partes del molde están fabricadas en acero y fundición nodular perlitica.

El molde debe ser cubierto por capas de pintura especial para lograr un adecuado desmoldeo y mejorar el acabado superficial del molde.

Fig. 4. Molde acoplado a la Maquina

Situación actual.

El molde solo tiene 4 canales de refrigeración instalados, no se tiene ningún tipo de instrumentación instalada para la medición de temperatura.

3. MAQUINA INYECTORA

Se le denomina maquina inyectora a un sistema compuesto por una estructura fija y una estructura móvil capaz de maniobrar los movimientos requeridos por el molde para poder abrirlo, cerrarlo, realizar el proceso de inyección y extraer el producto.

Esta maquina esta integrada por varios sistemas, los cuales interactúan para la transformación del aluminio en un producto moldeado inyectado a baja presión. Los sistemas se denominan así:

Fig. 5. Maquina Inyectora

Horno Sostenimiento:

El cual se encarga de mantener el Aluminio a temperatura adecuada con un instrumento de medición (termocupla) y un sistema calefactor (Resistencias eléctricas). En la zona central del horno se encuentra un dispositivo llamado tubo de transferencia, el cual se encarga de llevar el Aluminio desde el horno hacia el molde. El horno debe estar sellado herméticamente para su correcto funcionamiento.

Fig. 6. Horno de Sostenimiento

Fig. 7. Interior del Horno

Situación actual.

El control de temperatura tiene algunas fallas debido varios aspectos, los cuales generan variaciones por fuera de los limites establecidos en el estándar de +/- 5°C.

Este horno mediante unos dispositivos hidráulicos y mecánicos pueden mover el horno en forma transversal. También se puede subir y bajar para asegurar sello entre tubo de transferencia y el molde.

Fig. 8. Motor Hidráulico

Rampas de llenado Molde:

Está compuesto por un sistema neumático encargado de llenar el horno de aire seco para generar la presión suficiente con la que el aluminio pueda subir por el tubo de transferencia y llenar la cavidad del molde y comprimirlo hasta que este alcance la solidificación correcta y

completa. Después debe evacuar el aire inyectado para la salida del producto.El sistema debería generar 3 rampas (Fases) de llenado, las cuales se distribuyen así:

Rampa inicial o del tubo de transferencia, la cual debería llevar el aluminio desde el nivel del horno hasta donde termina el tubo de transferencia en aproximadamente 6 a 8 seg. Después debe generar la rampa del molde, la cual debería llevar el aluminio hasta llenar el molde completamente entre los 10 y los 20 seg. Dependiendo del molde. Después debe generar la rampa final encargada de comprimir el aluminio mientras se solidifica.

Esta variable de altura se puede referenciar con la medición de presión de aire que se genera dentro del horno para subir el aluminio.

El sistema debe compensar presión de aire por la perdida de nivel de Aluminio a medida que se producen rines de forma automática.Esto con el objetivo de controlar la velocidad con la cual es llenado el molde para lograr un llenado laminar y evitar atropamientos de aire y generación de óxidos.

Fig. 9. Grafico generación Rampa en tres fases

Situación Actual.

Como puede observarse el sistema solo cuenta con una válvula 3/2 vías para la entrada de aire al horno, lo cual solo generaría una sola rampa de llenado.

Además no existe medición de la presión hacia el control para la verificación del comportamiento del sistema.

El sistema actual es inadecuado, el cual genera incertidumbre para controlar el llenado de aluminio del molde.

Fig. 10. Sistema de Rampa Actual

Sistema de refrigeración.

Este sistema se encarga suministrar aire para refrigerar el molde y en consecuencia ayuda en la aceleración de la solidificación del aluminio.

Es controlado mediante la parametrizacion de tiempos de activación y la modificación del flujo de aire de cada canal.

La capacidad de canales de enfriamiento deberá ser el adecuado según la necesidad y diseño del molde para lograr resultados satisfactorios.

También debería ser posible utilización de agua como agente refrigerante para obtener mejores resultados en la disminución de la temperatura del molde.

Situación actual.

La alimentación general del sistema de aire tiene variaciones de hasta un 15% entre los 105psi y los 90 psi. Lo que puede influenciar en variaciones de flujo debido a esta fluctuación.

En el sistema actual solo se puede modificar presión de aire, con este control se tienen muchas incertidumbres debido a que esta variable no refleja la cantidad de aire que fluye por el enfriamiento en forma indirecta.

Los parámetros de presión tienen muchas variaciones entre moldes debido a los cambios de área que estos pueden tener según el diseño.

El sistema no puede registrar flujos de refrigeración para verificar estabilidad.

Fig. 11. Sistema de refrigeración Molde

Sistema Hidráulico.

Encargado de generar la fuerza motriz para realizar los movimientos necesarios para la maniobra del molde y el horno durante el proceso, se compone principalmente de unas bombas hidráulicas y válvulas direccionales.

Fig. 12. Central Hidráulica

Situación actual.

El movimiento del cilindro principal que sube y baja el molde se hace un poco lento para los requerimientos actuales de producción.

Fig. 13. Extracción del Rin

4. SISTEMA DE CONTROL.

Debe ser un sistema robusto con la capacidad de manejar sistemas eléctricos y electrónicos de medición, maniobra y control para todos los elementos involucrados en la maquina y el molde.

La interfese HMI debe poder utilizarse para la medición, parametrizacion, monitoreo y control de todos los sistemas involucrados.

También debe suministrar información de diagnostico y detección de fallas.

También debe poder registrar datos para evaluar comportamientos de las variables en evaluación.

Situación Actual.

El sistema solo puede realizar maniobra de los movimientos hidráulicos y maniobra de los enfriamientos. Ya que solo tiene 32 entradas y 32 salidas digitales.

No tiene forma de leer temperatura y variables analógicas externas.No tiene sistema de diagnostico. No se tiene control sobre alguna variable.

PLC MODULAR TABLERO DE MANDOS

Fig. 14. PLC Festo (Actual)

Fig. 15. Tablero de Mandos

5. PROCESO.

El diseño y la estandarización adecuada es muy importante para mantener en el tiempo el cumplimiento de normas y especificaciones con las cuales se pueda lograr una excelente productividad y calidad deseadas.

El sistema de control debería registrar indicadores de productividad y eficiencia para poder evaluar el comportamiento general del proceso en todos sus aspectos.

El sistema debería tener conectividad total con la supervisión y la ingeniería de procesos para poder monitorear y evaluar desempeños.

Generación de bases de datos para análisis y toma de acciones.

Situación Actual.

No se puede realizar ningún registro. No existe conectividad.

Fig. 16. Diagrama esquemático inyectora a baja presión