Proyecto de mejora de vida útil de moldes de inyección que ... · de moldes de inyecciÓn de...

Tesina de maestría en manufactura avanzada

PROYECTO: MEJORA DE VIDA UTIL DE MOLDES DE INYECCION QUE UTILIZAN EL POLIMERO PPE+PS+PA

José Martín Melchor Leal

I

ESTUDIO DE RECUBRIMIENTOS Y

TRATAMIENTOS DE SUPERFICIE DE NUEVA

GENERACIÓN PARA OPTIMIZAR LA VIDA ÚTIL

DE MOLDES DE INYECCIÓN DE POLÍMETROS

QUE USAN LA RESINA NORYL

TESINA PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN MANUFACTURA AVANZADA

PRESENTA

INGENIERO EN ELECTRÓNICA JOSÉ MARTÍN

MELCHOR LEAL

AGUASCALIENTES, AGS., 04 DE DICIEMBRE DEL 2014




II

RESUMEN

En la industria de la inyección de plásticos es frecuente diseñar moldes utilizando la

técnica ―Scientific Molding‖, que consiste en la optimización de las geometrías y aceros

del molde, mediante el software de simulación de elemento finito (CAE), sobre todo en

la fabricación de moldes para producción masiva de componentes inyectados. Los

fabricantes de piezas plásticas realizan un esfuerzo constante en el mantenimiento

preventivo y el control del proceso de manufactura para asegurar la calidad del

producto y extender la vida útil de los moldes; sin embargo, a pesar de todas estas

previsiones el desgaste prematuro de los mismos se sigue presentando, en especial

cuando se utilizan para la industria automotriz, la cual emplea frecuentemente

polímeros de alto desempeño que producen un desgaste significativo de la superficie

del acero del molde.

La presente investigación, busca crear un método de selección para recubrimientos de

superficie que ayude a prevenir el desgaste prematuro de los moldes cuando se utiliza

el polímero reforzado, y que este, pueda ser aplicado a temperaturas que no

deformen los materiales del molde. También se analizan las características del polímero

Noryl GTX 830 y sus mecanismos de desgate. Finalmente, propone un modelo

matemático para predecir el desgaste en la superficie del molde.

Los resultados muestran una fuerte correlación lineal entre el desgaste de la superficie

del molde y el coeficiente de fricción. También se verifica la relación entre el potencial

electrostático de las moléculas en la superficie del molde y la pérdida de masa debida

al desgaste del mismo, mediante una ecuación denominada ―ecuación-hipótesis‖. Se

identifica al recubrimiento carbono como diamante (DLC) como el mejor candidato

para recubrimiento debido a su bajo coeficiente de fricción un muy bajo potencial

electrostático molecular.

Palabras clave: Recubrimientos, Potencial electrostático molecular, Moldes, Inyección

de plástico, Coeficiente de fricción.




III

ABSTRACT

In the plastic injection industry, it is common to design moulds using the technique

called "Scientific Molding", which consists in the optimization of the geometries and

steels for mould, by using the finite element analysis software to simulate material flow

and the thermal behavior, specially the mass production manufacturers for plastic

injected components. Manufacturers of plastic parts made a constant effort in

preventative maintenance and control of the manufacturing process to ensure the

quality of the product and extend the useful life of their moulds; However, despite all

these prevention activities a premature wear on some of them still occurring, especially

when they are used for the automotive industry, which often use high performance

polymers that produce significant wear to the surface of the mould steel or alloy

surfaces.

This research seeks to create a selection method for coatings that help to prevent

premature wear of the moulds when using reinforced polymer, and also look to apply

the coating at temperatures that do not deform the mould materials. It also discusses

the mechanical & thermal characteristics of Noryl GTX 830 polymer and its mechanisms

of wear on the injection mould. Finally, proposes a mathematical model to predict the

wear on the surface of the mould.

The results show a strong linear correlation between the mould surface wear and friction

coefficient. Also verifies the relationship between the electrostatic potential of the

molecules on the surface of the mould and the mass loss due to wear by an equation

known as "equation-hypothesis". A very low molecular electrostatic potential is identified

to the diamond like carbon (DLC) coating become it for the moment in the best

candidate for molding coating for high performance polymers due to its low coefficient

of friction.

Key words: Coating, Molecular electrostatic potential, Moulds, Injection, Friction

coefficient.




IV

DEDICATORIA

A mi esposa Ernestina así como a mis hijas Irma Adriana y Ana Patricia, que sin su apoyo

incondicional y gran paciencia no habría sido posible completar esta etapa de mi

preparación.




V

AGRADECIMIENTOS

Expreso mi más sincero agradecimiento a mi asesora Dra. Normal A. Rangel Vázquez

por su colaboración e ideas en la preparación de este manuscrito. Al Ing. Gabriel

Hernández Hernández y la Ing. Chesley Austin que me ayudaron a seguir con el

proyecto en el ambiente industrial en que vive Sensata Technologies. Y un

agradecimiento muy especial a mi hermano Juan Carlos Melchor Leal por su

incondicional apoyo, ideas y experiencia que hicieron posible la construcción del

simulador y el desarrollo de muchas ideas creativas que forman hoy partes de esta

tesina.

Gracias también al personal docente del CIATEQ campus Aguascalientes por su

conocimiento y apoyo profesional a lo largo del posgrado, particularmente al Dr.

Guillermo Frades por la oportunidad de iniciar este programa en Aguascalientes.




VI

CONTENIDO

RESUMEN ...................................................................................................................................... II

ABSTRACT .................................................................................................................................... III

DEDICATORIA ............................................................................................................................ IV

AGRADECIMIENTOS ................................................................................................................... V

CONTENIDO ............................................................................................................................... VI

TABLAS ........................................................................................................................................ XI

FIGURAS...................................................................................................................................... XII

GLOSARIO ................................................................................................................................. XV

1. INTRODUCCIÓN...................................................................................................................... 1

1.1 Definición del problema de los moldes usando PPE+PS+PA ................................... 1

1.2 Justificación del proyecto de investigación .............................................................. 3

1.2.1 El tiempo de vida de moldes de inyección usando PPS+PE+PA ..................... 3

1.2.2 Desgaste superficial en áreas activas del molde .............................................. 4

2. MARCO TEÓRICO .................................................................................................................. 8

2.1 Introducción a los plásticos ............................................................................................... 8

2.1.1 Breve historia del plástico ............................................................................................ 8

2.1.2 Polímeros termoplásticos ............................................................................................. 8

2.1.3 Clasificación de plásticos ............................................................................................ 9

2.1.4 Termoplástico NORYL (PPE+PS+PA) reforzado con 37% fibra de vidrio ............. 12

2.2 Máquinas Industriales para la inyección de termoplásticos ...................................... 13

2.2.1 Máquina basada en tornillo inyector reciproco .................................................... 14

2.2.2 Componentes básicos de la inyectora ................................................................... 14

2.2.3 Unidad de Potencia ................................................................................................... 15

2.2.4 Unidad de inyección ................................................................................................. 15

2.2.4.1 La boquilla ................................................................................................................ 16

2.2.5 Unidad de Control ...................................................................................................... 16

2.2.6 Unidad de cierre ......................................................................................................... 16

2.3 El proceso de inyección de termoplásticos .................................................................. 17




VII

2.3.1 Parámetros básicos que intervienen en el proceso de inyección ..................... 18

2.3.2 Presión de inyección y su relación con los componentes ................................... 19

2.4 Problemas detectados en los moldes de inyección ................................................... 19

2.4.1. Problemas de moldes relacionados a su diseño .................................................. 19

2.4.2 Problemas con la selección del polímero .............................................................. 20

2.4.3 Selección de los materiales de fabricación del molde ........................................ 20

2.5 Desgaste en moldes de inyección de plástico ............................................................ 20

2.5.1 Desgaste en el molde por separación física de los átomos ................................ 21

2.5.2 Tipos de disolución química del acero en el molde ............................................. 23

2.5.3 Medición de desgaste en un molde mediante la topografía superficial ......... 23

2.5.4.1 Principio de operación del profilómetro láser ..................................................... 25

2.6 Materiales utilizados en la fabricación de moldes y sus características básicas .... 25

2.6.1 Materiales para construcción de moldes de inyección de plástico.................. 26

2.7 Recubrimientos para moldes de inyección de termoplásticos ................................. 28

2.7.1 La aplicación de temperatura elevada al poner recubrimientos como el

principal obstáculo a vencer ............................................................................................. 28

2.7.2 Recubrimientos sugeridos por la SME desde el año 1998 .................................... 28

2.7.3 Nueva generación de recubrimientos disponibles a partir del año 2010 ......... 31

2.8. Deposición en fase vapor (PVD) .................................................................................... 33

2.8.1 Descripción del proceso de deposición en fase vapor (PVD) ............................ 33

2.8.2 Mejora del Proceso PVD con el método ―sputtering‖ o con ―asistencia de

magnetrón‖ .......................................................................................................................... 34

3 . DIRECTRICES DE LA INVESTIGACIÓN ................................................................................ 36

3.1 Identificación de los factores de desgaste ................................................................... 37

3.2 Modelo matemático de desgaste en investigaciones previas ................................. 39

3.2.1 El modelo de desgaste basado en la ley de Archard.......................................... 40

3.2.2 Experimentación previa en desgaste de moldes .................................................. 40

3.2.3 Propuesta de modelo de desgaste J. Bergstrom y F. Thuvander ........................ 43

3.2.4 Conclusiones de la investigación previa ................................................................ 45

3.2.5 Mejora en el coeficiente de fricción en aplicaciones aeroespaciales usando

recubrimientos diamantados (DLC) mediante CVD ...................................................... 46

3.3 Simulación por mecánica molecular de los recubrimientos ...................................... 48




VIII

3.3.1 Software seleccionado para modelación de mecánica molecular ................. 48

3.3.2 Modelación usando mecánica molecular para los recubrimientos de moldes

................................................................................................................................................ 49

3.4 Hipótesis de Investigación ........................................................................................... 53

3.4.1 Regresión lineal usando datos de investigaciones previas .................................. 53

3.4.2 Ecuación-hipótesis propuesta en esta investigación ............................................ 54

4. PROPUESTA DE EXPERIMENTACIÓN ................................................................................... 56

4.1 Fases del proyecto de tesina para la mejora de vida en moldes en Sensata

Technologies ............................................................................................................................ 56

4.1.1 Alcance de la investigación de tesina y propuesta de implementación

masiva en Sensata Technologies ...................................................................................... 57

4.1.2 Necesidad de un simulador de inyección para la experimentación y

especímenes de prueba .................................................................................................... 60

4.1.2.1 Especímenes para evaluar el desgaste ............................................................... 61

4.1.3 Método estadístico para comprobar la hipótesis basada en ―t-student para

una muestra‖ ........................................................................................................................ 62

4.1.4 Estimación de la duración de una repetición de prueba ................................... 65

4.2 Análisis de elemento finito en parte plástica para generar desgaste en

espécimen. ............................................................................................................................... 67

4.2.1 Selección de software CAE Moldex3DTM para análisis .......................................... 69

4.2.2 Propiedades del polímero Noryl GTX 830 (PPS+PE+PA) para simulación .......... 69

4.2.2.1 Recomendaciones del fabricante al usar el Noryl aleación de PPE+PA+PS

reforzado con 30% fibra de vidrio ..................................................................................... 72

4.2.3 Diseño en Solidworks (CAD) de pieza plástica a inyectar ................................... 73

4.2.4 Resultados obtenidos de la simulación CAE de la pieza inyectada .................. 75

4.2.4.1 Presión de llenado en la cavidad ......................................................................... 75

4.2.4.2 Presión en el bebedero vs tiempo ........................................................................ 76

4.2.4.3 Tasa de flujo al entrar a la cavidad vs tiempo ................................................... 77

4.2.4.4 Relación de capa congelada al entrar el polímero en la cavidad ............... 77

4.2.4.5 Temperatura máxima de la parte inyectada ..................................................... 78

4.2.4.6 Fuerza de cierre para el molde vs tiempo ........................................................... 78

4.2.4.7 Porcentaje de llenado volumétrico de la cavidad vs tiempo ......................... 79

4.2.4.8 Peso total de la pieza vs tiempo ........................................................................... 79




IX

4.2.4.9 Llenado peso de la cavidad vs tiempo ............................................................... 80

4.3 Diseño del molde para probar especímenes ............................................................... 81

4.4 Propuesta de medición de desgaste en especímenes por comparación de

topografías superficiales ........................................................................................................ 82

4.4.1 Equipo para medición de desgaste de los especímenes ................................... 82

4.4.2 Método para medición de desgaste en los especímenes .................................. 83

4.5 Construcción de especímenes de prueba ................................................................... 86

4.5.1 Diseño de especímenes de prueba para desgaste ............................................. 86

4.5.2 Fabricación de especímenes de prueba con proveedor ................................... 86

4.6 Para probar ecuacion-hipotesis con los resultados de especímenes TiN Y DLC .... 87

4.6.1 Perfil de referencia de cada espécimen para la medición ................................ 88

4.6.2 Aplicando ciclos de desgaste a especímenes por medio del simulador de

inyección .............................................................................................................................. 88

4.6.3 Estimación de desgaste usando la ecuación-hipótesis ....................................... 88

4.6.4 Descripción de método para comprobar la ecuación-hipótesis ....................... 90

4.6.5 Prueba t-student para espécimen con recubrimiento TiN (hipótesis H01) .......... 91

4.6.6 Prueba t-student para espécimen con recubrimiento DLC (hipótesis H02) ....... 92

5. CONCLUSIÓN DE LA INVESTIGACIÓN .............................................................................. 93

6. RECOMENDACIONES PARA IMPLEMENTACION DE LA INVESTIGACIÓN EN SENSATA

TECHNOLOGIES ............................................................................................................................ 95

6.1 Sumario características especímenes de prueba ....................................................... 95

6.2 Dibujo del diseño final de los especímenes para construcción ................................ 97

6.3 Identificación de especímenes para experimentación ............................................. 97

6.4 Método estadístico ANOVA propuesto para comparar combinaciones ................ 99

6.5 Aplicación a moldes nuevos ......................................................................................... 101

7. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 103

8. ANEXO A.- EQUIPO SIMULADOR DE DESGASTE EXPERIMENTAL ....................................... A

8.1 Primer prototipo de simulador de desgaste experimental ........................................... A

8.1.1 Construcción del primer prototipo del simulador .................................................... A

8.1.2 Problemas detectados y lecciones aprendidas del primer prototipo ................. B

8.2 Diseño del simulador experimental de desgaste .......................................................... C

8.2.1 Diseño del simulador en 3D Solidworks ...................................................................... D




X

8.3 Cálculo de estrés en la estructura del simulador ............................................................E

8.4 Desarrollo de la unidad de cierre ...................................................................................... F

8.5 Desarrollo del sistema de control electrónico del simulador....................................... G

8.5.1 Diagrama a bloques del sistema de control ............................................................ H

8.5.2 Micro-controlador ATMEGA256016AU ......................................................................... I

8.5.3 Interfase de la pantalla de cristal líquido y botoneras ............................................. I

8.5.4 Diseño de interfase para el termistor .......................................................................... J

8.5.5 Interfase de potencia para la resistencia calefactora .......................................... K

8.6 Análisis térmico del inyector para el simulador ............................................................... L

8.6.1 Análisis térmico con el rediseño de boquilla ........................................................... M

8.7 Diseño de unidad inyectora basado en simulación térmica en Solidworks ............. O

8.8 Ensamble completo del simulador ................................................................................... P




XI

TABLAS

Tabla 2-1 Diversas clasificaciones de los plásticos. 10

Tabla 3-1 Propiedades físicas del Lexan 341R-739. 41

Tabla 3-2 Potenciales electrostáticos de diversos recubrimientos. 52

Tabla 4-1 Materiales seleccionados para experimentación. 61

Tabla 4-2 Combinaciones seleccionadas para la experimentación. 62

Tabla 4-3 Propiedades mecánicas del NORYL. 70

Tabla 4-4 Parámetros de operación del Noryl GTX 830. 73

Tabla 4-5 Formato para registro de las mediciones de desgaste. 88

Tabla 4-6 Parámetros de especímenes para aplicar ecuación-hipótesis. 89

Tabla 4-7 Parámetros de especímenes para aplicar ecuación-hipótesis. 89

Tabla 5-1 Características de los especímenes de prueba. 96

Tabla 6-2 Identificación propuesta para validación. 99




XII

FIGURAS

Fig. 1-1 Ejemplos de piezas hechas con polímero PPE+PS+PA. 2

Fig. 1-2 Sensores automotrices usando piezas moldeadas con PPE+PS+PA. 2

Fig. 1-3 Comparativa de vida de los moldes vs. la frecuencia de mantenimiento. 4

Fig. 1-4 Defectos en piezas como consecuencia de desgaste en los moldes. 4

Fig. 1-5 Molde de inyección cerrado. 5

Fig. 1-6 Insertos del molde con daño físico debido al desgaste. 5

Fig. 1-7 Desgaste en la cavidad del molde. 5

Fig. 1-8 Desgaste del acero en los moldes. 6

Fig. 1-9 Diagrama de flujo de la vida de un molde de inyección. 7

Fig. 2-1 Ejemplo de monómero y polímero, respectivamente. 9

Fig. 2-2 Triángulo de termoplásticos de aplicación industrial. 11

Fig. 2-3 Muestra granular del polímero PPE+PS+PA (Noryl GTX830). 13

Fig. 2-4 Inyectora industrial marca Arburg. 13

Fig. 2-5 Línea de producción de inyección. 13

Fig. 2-6 Esquema de inyectora de termoplásticos. 14

Fig. 2-7 Parámetros principales que afectan la inyección de termoplásticos. 18

Fig. 2-8 Causas del desgaste en el acero. 21

Fig. 2-10 Sub-clasificación al desgaste por deslizamiento (fricción). 22

Fig. 2-9 Los diferentes tipos de desgaste en los moldes de inyección. 22

Fig. 2-11 Tipos de erosión o disolución química. 23

Fig. 2-12 Topografía superficial de un molde. 24

Fig. 2-13 Ejemplo de una imagen 3D del profilómetro láser. 24

Fig. 2-14 Cabeza de medición del profilómetro láser. 25

Fig. 2-15 Máquina PVD comercial y detalle de una cámara de vacío. 33

Fig. 2-16 Proceso de deposición de vapor física (PVD). 34

Fig. 2-17 Proceso PVD usando el magnetrón (sputtering). 34

Fig. 2-18 Fenómeno de plasma dentro del sistema PVD sputtering. 35

Fig. 2-19 Equipo industrial PVD sputtering. 36

Fig. 2-20 El principio ―sputtering‖ del magnetrón. 36

Fig. 3-1 Factores que afectan la vida útil de los moldes. 38

Fig. 3-2 Espécimen y porta espécimen en investigación previa. 41

Fig. 3-3 Imagen obtenida por SEM de las fibras de vidrio en un PPE+PS+PA. 42

Fig. 3-4 Daños ocasionados en la superficie del molde por las fibras de vidrio. 42

Fig. 3-5 Ampliación mostrando el detalle de las micro-impresiones en el acero. 43

Fig. 3-6 Esquema del esfuerzo de corte de una fibra de vidrio de refuerzo. 44

Fig. 3-7 Detalle del ángulo de la fibra con respecto a superficie del molde. 44

Fig. 3-8 Esquema de la profundidad de micro-impresión en la superficie del molde. 44

Fig. 3-9 Estimación desgaste de micro-impresiones en aceros vs velocidad de corte. 45

Fig. 3-10 Pérdida de masa después de ataque con 1000 gramos de polímero. 47




XIII

Fig. 3-11 Pérdida de masa vs ataque de polímero. 47

Fig. 3-12 Software de simulación de mecánica molecular HyperChem. 49

Fig. 3-13 Simulación del potencial electrostático del nitruro de titanio aluminio. 50

Fig. 3-14 Simulación del potencial electrostático del nitruro de cromo. 51

Fig. 3-15 Simulación pot. electrostático del nitrurocarburo de titanio. 51

Fig. 3-16 Simulación del potencial electrostático del nitruro de titanio. 51

Fig. 3-17 Simulación del potencial electrostático del nitruro de zirconio. 52

Fig. 3-18 Simulación de potencial electrostático del diamante como carbón (DLC). 52

Fig. 3-19 Análisis de regresión entre coeficiente de fricción y desgaste. 54

Fig. 4-1 Alcance proyecto 57

Fig. 4-2 Cronograma de tesina y proyecto de implementación. 60

Fig. 4-3 Ejemplo de prueba estadística t-student para una muestra. 64

Fig. 4-4 Distribución t-student. 65

Fig. 4-5 Tiempo de ciclo de inyección contra el grosor de la pared inyectada. 66

Fig. 4-6 Logo comercial del software MOldex3D. 69

Fig. 4-7 Curva de conductividad térmica vs temperatura de polímero Noryl GTX830. 70

Fig. 4-8 Curva de volumen específico vs temperatura de polímero Noryl GTX830. 71

Fig. 4-9 Curva de viscosidad vs temperatura de polímero Noryl GTX830. 71

Fig. 4-10 Capacidad térmica vs temperatura del polímero Noryl GTX830. 72

Fig. 4-11 Logo comercial de software. 74

Fig. 4-12 Pieza plástica diseñada para desgaste. 74

Fig. 4-13 Dimensiones de la pieza a inyectar en Resina PPE+PS+PA. 75

Fig. 4-14 Resultado de la presión de llenado en la pieza plástica. 76

Fig. 4-15 Resultado de la presión del bebedero durante la inyección. 76

Fig. 4-16 Resultado tasa de llenado de la cavidad. 77

Fig. 4-17 Resultado de simulación de la relación de capa congelada. 78

Fig. 4-18 Resultado de simulación de la Temperatura máxima. 78

Fig. 4-19 Resultado de simulación de la fuerza de cierre del molde en Moldex3D. 79

Fig. 4-20 Resultado de simulación de tasa de llenado fracción volumétrica. 79

Fig. 4-21 Resultado de simulación del peso total de la pieza moldeada. 80

Fig. 4-22 Resultado de simulación del peso al llenar la cavidad. 80

Fig. 4-23 Molde de aluminio y espécimen. 81

Fig. 4-24 Corte transversal del molde. 81

Fig. 4-25 Esquema de profilómetro láser. 82

Fig. 4-26 Superficie a medir. 83

Fig. 4-27 Imagen 3D del plano de referencia cero. 84

Fig. 4-28 Imagen 3D de superficie del plano de resultados. 84

Fig. 4-29 Imagen 3D de la superficie desgastada ∆z. 85

Fig. 4-30 Diseño de espécimen y sus dimensiones. 86

Fig. 4-31 Logo de M.T.P. Associates Inc. 87

Fig. 4-32 Primeros especímenes de prueba fabricados. 87




XIV

Fig. 4-33 Resultado de prueba t-student para hipótesis H01. 92

Fig. 4-34 Resultado de prueba t-student para hipótesis H02. 93

Fig. 5-1 Dibujo generado por el proveedor de recubrimientos para especímenes. 97

Fig. 5-2 Método estadístico ANOVA para comparar desgaste de especímenes. 100

Fig. 8-1 Primer prototipo de simulador completo. B

Fig. 8-2 Diagrama a bloques de los sistemas que componen al simulador. D

Fig. 8-3 Diseño mecánico del simulador. E

Fig. 8-4 Deformaciones por esfuerzos para la primera propuesta. F

Fig. 8-5 Fotografía del sistema de cierre construido para el simulador. G

Fig. 8-6 Diagrama a bloques sistema de control del simulador. H

Fig. 8-7 Botonera principal y auxiliar. J

Fig. 8-8 Regresión valores esperados a diferentes temperaturas del termistor. K

Fig. 8-9 Rediseño de boquilla para lograr mantener temperatura. M

Fig. 8-10 Análisis térmico de Rediseño que resuelve el problema zonas de frías. N

Fig. 8-11 Comportamiento térmico esperado del inyector O

Fig. 8-12 Fotografía del torneado del inyector. P

Fig. 8-13 Fotografía del simulador de inyección experimental completo. Q




XV

GLOSARIO

PVD sputtering Deposición en fase vapor por deposición catódica (asistida con

magnetrón).

DLC ―Carbono como diamante‖ (DLC) materiales de carbono amorfo

que muestran algunas de las propiedades típicas del diamante. Se

aplican generalmente como recubrimientos a otros materiales que

pueden beneficiarse de algunas de esas propiedades.

PLC Programador Lógico programable (por sus siglas en inglés).

PID Control Proporcional-Integral-Derivativo.

PPE+PS+PA Polímero compuesto por Poli(éter de fenileno) + poliestireno +

poliamida.

TiN Nitruro de Titanio.

Renderizar Proceso de generar una imagen o vídeo mediante el cálculo de

iluminación GI partiendo de un modelo en 3D.

Profilómetro Instrumento de medición que cuantifica la rugosidad de una

superficie.

Láser Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación.

Microcontrolador Circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes

grabadas en su memoria.

Magnetrón Dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía

electromagnética en forma de microonda.

Tribológico Ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación que

tienen lugar durante el contacto entre superficies sólidas en

movimiento.

Martensita Nombre que recibe la fase cristalina BCC, en aleaciones ferrosas.

Índice LogP Proporción entre las concentraciones de un compuesto no-ionizado

entre los dos disolventes

Análisis de

elemento finito

Técnica de simulación por computadora usada en ingeniería. Usa

una técnica numérica llamada método de los elementos finitos

(FEM).

Reológicos Parte de la física que estudia la relación entre el esfuerzo y la

deformación en los materiales que son capaces de fluir.

HV Dureza Vickers




1

1. INTRODUCCIÓN

1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA DE LOS MOLDES USANDO PPE+PS+PA El creciente desarrollo de la industria a nivel regional y nacional ha generado una

demanda cada vez más grande de soluciones para problemas surgidos en los

procesos productivos de las empresas, principalmente del área de manufactura

automotriz.

Los nacientes retos que enfrenta la industria nacional, que busca competir en el

mercado internacional, vuelve prioritario el empleo de tecnología de punta para

mejorar el desempeño de las máquinas y herramientas que intervienen en los procesos

de producción con el fin de obtener productos competitivos, tanto en calidad como

en precio, dentro del ámbito nacional e internacional.

Actualmente, los proveedores de Sensata Technologies de México del área de moldes

y estampado, presentan el inconveniente de tener un bajo nivel de desarrollo, tanto en

productividad como en los tiempos de entrega y en la calidad de sus productos; todo

esto afecta su competitividad a nivel nacional e internacional pues, aunque cuentan

con una excelente posición geográfica y bajos costos de producción, tienen una gran

desventaja en cuanto a la optimización de sus procesos productivos, monitores de

efectividad y controles de calidad; esto origina la necesidad de crear herramientas

con el objetivo de incrementar la competitividad de dichos proveedores.

En la figura 1-1 se muestran algunos de los sub-productos de Sensata Technologies

generados a partir de piezas de inyección de polímero reforzado con fibra de vidrio,

son conectores utilizados para el ensamble de una gran variedad de sensores

automotrices, los cuales, gracias a sus propiedades mecánicas y eléctricas reforzadas,

pueden integrarse bien dentro de los exigentes mercados de automotores.




2

En la figura 1-2 se pueden ver algunos de los productos terminados fabricados a partir

de los conectores inyectados a base de polímero reforzado PPE+PS+PA, son muestra de

cómo una pieza inyectada puede ser utilizada en múltiples aplicaciones, ya que cubre

los requisitos automotrices y permite la compatibilidad y estandarización en la

fabricación en masa.

Los herramentales de los diferentes proveedores de Sensata Technologies,

especialmente los que se especializan en inyección de plástico, localizados en el

territorio nacional, están presentando un problema crónico en el tiempo de vida de los

moldes; esto, especialmente cuando se agregan partes metálicas o insertos a la

inyección. Los moldes están construidos para soportar alrededor de 1,000,000 de ciclos,

y sin embargo, a usos menores presentan problemas de calidad mermando la

productividad, en algunos casos llegando hasta el 30% de pérdida en su capacidad

instalada, provocando con esto, problemas en la entrega y en calidad.

Fig. 1-1 Ejemplos de piezas

hechas con polímero

PPE+PS+PA.

Fig. 1-2 Sensores automotrices usando piezas moldeadas

con PPE+PS+PA.




3

1.2 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Este proyecto tiene como fin buscar una solución efectiva al problema de la

durabilidad de moldes para reducir el impacto de retrasos en entregas y calidad.

Encontrar una solución a este problema ayudará al crecimiento de los proveedores de

inyección de plástico de la región y con esto, se atraerá más inversión extranjera

(Sensata Technologies) para los fabricantes de partes de plástico inyectado localizados

en México y muy posiblemente, lograr transferir de otros países a México la producción

de este tipo de componentes.

Los moldes que tienen una menor vida son aquellos que usan plásticos reforzados de

relleno de vidrio PPS+PE+PA, éstos constituyen un gran porcentaje de los utilizados por

Sensata Technologies.

Los plásticos reforzados de relleno de vidrio son conocidos por producir un desgaste

considerable en los moldes, tornillos y barriles de las máquinas de moldeo por

inyección. Durante muchos años se han empleado diversos recubrimientos y

tratamientos superficiales para combatir este efecto. Sin embargo, para la

cuantificación de los beneficios de dichos recubrimientos y tratamientos se ha

procedido sobre una base empírica y hay pocos datos confiables para facilitar la

selección correcta de dichos materiales.

1.2.1 El tiempo de vida de moldes de inyección usando PPS+PE+PA

El tiempo de vida de los moldes de inyección en Sensata Technologies, fluctúa entre un

millón, y un millón y medio de disparos, antes de tener que restaurar la herramienta.

Existen algunas variaciones, en las cuales ciertos moldes no alcanzan este tiempo de

vida y esas variaciones, están usualmente relacionadas con fallas en el mantenimiento.

Sin embargo, en condiciones especiales, algunos de los moldes han alcanzado

tiempos de vida mayores a 4 millones de disparos.

La gráfica de la figura 1-3 muestra un estudio donde 30 moldes se compararon en

condiciones similares; el eje de las x muestra la frecuencia de mantenimiento, el eje y

muestra los días de operación y el eje de la z muestra el número de fallas relacionadas

a desgaste en los moldes. La gráfica representa la vida útil de los moldes, que superan

las 1000 horas de operación; se puede observar que la frecuencia de mantenimiento

se vuelve independiente de la vida del molde, aunque es un factor muy importante ya




4

que, si no se da adecuadamente propicia un incremento temprano de defectos

relacionados al desgaste del molde; sin embargo puede notarse que, pasando el

umbral de las 1,000 horas aparece un nuevo factor no identificado que produce

diferencias significativas en el tiempo de vida útil del molde.

En la figura 1-4 se muestran algunos de los defectos más usuales que se presentan en

las piezas inyectadas cuando los moldes comienzan a tener desgaste en la superficie

del acero, es entonces que se requiere una reparación mayor o renovación en el

molde.

1.2.2 Desgaste superficial en áreas activas del molde

Los moldes sufren un desgaste natural al ser usados repetidamente en las producciones

masivas, existen muchos factores para que esto suceda, entre ellos, los impactos

Fig. 1-3 Comparativa de

vida de los moldes vs. la

frecuencia de

mantenimiento.

Fig. 1-4 Defectos en piezas como consecuencia de desgaste en los

moldes.




5

térmicos y la fricción de los polímeros al ser inyectados en las cavidades. La figura 1-5

muestra uno de los moldes de inyección utilizados en Sensata Technologies.

Fig. 1-5 Molde de inyección cerrado.

En la figura 1-6 se aprecia como algunos insertos que van montados dentro del molde

de inyección sufren desgaste hasta llegar al punto de ruptura del material. En la figura

1-7 puede verse una sección interna del molde llamada cavidad que presenta un

desgaste del acero que lo forma.

Los defectos más usuales que presentan las piezas termo-formadas, ocurren en las

zonas de cierre y en las zonas de inyección de plástico del molde, estos defectos

Fig. 1-6 Insertos del molde con daño físico debido al desgaste.

Fig. 1-7 Desgaste en la cavidad del molde.




6

suelen ser excesos de plástico que quedan como rebabas, conocidos como ―flashes‖;

otro de los defectos típicos se relaciona con el control dimensional que, en algunas

ocasiones, se sale de la especificación. Los daños mecánicos ocurridos en el molde,

que originan los defectos en las piezas termo-formadas son generados principalmente

por desgaste en las zonas mencionadas. A medida que el molde es utilizado este

desgaste se va incrementando, hasta llegar al punto en que, las partes moldeadas se

salen de especificación y, cuando esto ocurre, el molde debe ser desmontado para

realizarle una reparación que consiste en rellenar el faltante de material en la zona

afectada. En las fotos que se muestran en la figura 1-8 puede apreciarse el desgaste

del acero en los moldes.

Fig. 1-8 Desgaste del acero en los moldes.

La figura 1-9 muestra el diagrama de flujo del ciclo de vida de un molde de inyección

de plástico, siguiéndolo puede entenderse donde inicia el deterioro del molde. Los

recuadros amarillos muestran las actividades relacionadas con el molde y los rojos

donde se localizan las fallas del molde.




7

Fig. 1-9 Diagrama de flujo de la vida de un molde de inyección.




8

2. MARCO TEÓRICO

2.1 INTRODUCCIÓN A LOS PLÁSTICOS

2.1.1 Breve historia del plástico

En 1868, John Wesley Hyatt desarrolló un material llamado «celulosa» que es un

polímero natural, este material es uno de los primeros plásticos que existió, su primera

aplicación fue el recubrimiento de bolas de billar. En 1872 se hizo la primera patente de

una máquina inyectora de plástico y en 1937 se fundó la sociedad de plásticos para la

industria. Ya para 1940 existía una amplia demanda para los productos de plástico y,

en esos momentos James Hendry iniciaba la comercialización de la recién patentada

“máquina en inyección con tornillo”. Con la segunda guerra mundial, se dio una

enorme demanda de piezas moldeados por inyección, debido a la necesidad de

productos a gran escala y de bajo costo (1).

Para 1955 se inició la comercialización del policarbonato, un termoplástico que ha

tenido amplia aceptación en el mercado por su gran resistencia al impacto y sus

propiedades ópticas extraordinarias. En 1959 DuPond introduce los primeros mono-

polímeros y para 1979 la producción de plástico sobrepasaba la producción de metal.

Si observamos la rápida evolución que tuvo el desarrollo de este mercado desde los

años 1800 hasta nuestros días, podemos observar que este tipo de producto logró una

aceptación sin precedentes, tanto en los mercados industriales como en los

domésticos, y para 1995, ya existían más de 18,000 diferentes tipos de materiales para

moldear y a partir esa fecha se continuaron incrementando a una velocidad de 750

nuevos materiales por año.

2.1.2 Polímeros termoplásticos

La mayor parte de los termoplásticos son polímeros de alto peso molecular. Su nombre

proviene de Poli= muchos y mero= parte, están constituidos por la unión repetitiva de

una o varias moléculas, denominadas monómeros, los monómeros se combinan para

formar al polímero. La figura 2-1 muestra un ejemplo de moléculas de monómero y

polímero. La reacción de polimerización es un proceso químico mediante el cual

cientos o miles de pequeñas moléculas de monómero se enlazan entre sí para formar




9

un polímero. Se utilizan iniciadores, catalizadores, control de pH, calor y vacío para

acelerar y controlar este tipo de reacciones químicas.

Fig. 2-1 Ejemplo de monómero y polímero, respectivamente.

En la actualidad existen alrededor de 20,000 diferentes materiales termoplásticos

disponibles. Los termoplásticos pueden definirse como un material plástico que,

cuando se calienta, puede plastificarse, suavizarse, y que endurecerse al enfriar sin

cambiar su característica química, sólo se altera la característica física del material.

Esta cualidad los diferencia de otro tipo de termoplásticos llamados termoestable, los

cuales son materiales plásticos que al calentarse cambian sus características químicas

y usualmente llevan un proceso denominado curado.

2.1.3 Clasificación de plásticos

Los plásticos pueden clasificarse de muchas maneras, una de las primeras

clasificaciones que se aplican a estos materiales es si son termoplásticos o

termoestables. Otra clasificación son los materiales amorfos, aquellos que tienen una

estructura molecular aleatoria; estos materiales se pueden suavizar a un amplio rango

de temperaturas, debido a que en realidad nunca se derriten, sino que sólo se

suavizan, usualmente suavizan tan pronto como entran en contacto con la fuente de

calor. El material cristalino tiene una estructura molecular en una cadena bien

ordenada. Cuando este material se calienta y llega a su punto de fusión, lo que

realmente ocurre es que no pasa por la etapa de suavizado sino que se va

directamente a la etapa de endurecimiento. Cuando este material se sobrecalienta

puede degradarse por el calor absorbido. También existen los elastómeros, que son

polímeros que tienen un amplio espectro de elasticidad. La tabla 2-1 muestra algunas

de las posibles clasificaciones que se pueden aplicar, estas son utilizadas para

determinar el método para crearlos, o por sus características aplicación.




10

Tabla 2-1 Diversas clasificaciones de los plásticos.

Una categoría importante para el proyecto es la clasificación de plásticos por su

aplicación en producción industrial, donde sobresalen los termoplásticos de




11

especialidad, también conocidos como plásticos de ingeniería, que se caracterizan

por ser materiales que tienen propiedades superiores a los plásticos de gran volumen.

Presentan buena estabilidad térmica y buena resistencia al impacto, alta temperatura

de distorsión, alta resistencia a la tensión mecánica, y una mayor tenacidad. Es en las

aplicaciones que demandan alto desempeño donde se encuentra su principal uso. En

la figura 2-2 se muestra el triángulo de los termoplásticos industriales, donde se puede

apreciar que en la parte superior se ubican los termoplásticos de mayor desempeño y

mayor costo; a medida que se desciende en el triangulo se encuentran aplicaciones

más comunes con menor exigencia de propiedades químicas, físicas, térmicas o

eléctricas. El polímero reforzado PPE+PS+PA ó termoplástico Noryl GTX 830, que se

indica en color rojo al lado izquierdo superior del triángulo, es una aleación de tres

diferentes termoplásticos: el nylon (PA), el poliestireno (PS) y el polifenileno éter (PPE); los

cuales al ser aleados producen un termoplástico de ingeniería de alto desempeño. Las

características de cada uno de ellos se suman obteniendo así las ventajas del PA

que es un polímero sintético que pertenece al grupo de las poliamidas y está

catalogado como un polímero de ingeniería, del PS que es un polímero estándar,

económico y resistente y finalmente el PPE que es un plástico amorfo de alto

rendimiento que contiene un aditivo de 38% de fibra de vidrio.

Fig. 2-2 Triángulo de termoplásticos de aplicación industrial.




12

Termoplásticos reforzados

Gran parte de los termoplásticos disponibles al día de hoy pueden encontrarse tanto

en su versión pura como en versiones a las que se les han agregado aditivos que

permiten mejorar las propiedades del polímero puro. Usualmente, se agregan químicos

así como materiales orgánicos o inorgánicos. Por ejemplo, una pequeña cantidad de

lubricantes permiten mejorar las propiedades de deslizamiento del material.

Existen dos tipos de termoplásticos reforzados, en los que usan aditivos de relleno y los

que tienen aditivos reforzantes, siendo las combinaciones más comunes las de fibra de

vidrio con material orgánico y las cerámicas con metales. Las cerámicas se emplean

para incrementar la resistencia a la temperatura y los metales se aplican para cambiar

las características particulares del material; generalmente en metales se utiliza desde el

acero inoxidable hasta el titanio.

2.1.4 Termoplástico NORYL (PPE+PS+PA) reforzado con 37% fibra de vidrio

Existe en el mercado una gran variedad de plástico reforzado PPE+PS+PA, se le

conoce con el nombre de Noryl reforzado, es un termoplástico muy utilizado en las

diferentes aplicaciones de ingeniería, el cual es adecuado para fabricar, pintar y

pegar; entre las propiedades del Noryl reforzado, las más importantes son:

Alta tenacidad.

Resistencia térmica.

Retención de propiedades superior a la mayor parte de las poliolefinas.

Baja absorción de humedad.

Excelente resistencia química.

Buena estabilidad hidrolítica.

Excelente resistencia al fundido y procesabilidad.

Puede ser moldeado por inyección, extrusión y termo-formado.

En la figura 2-3 se muestra un ejemplo de la aplicación del polímero PPE+PS+PA

denominado Noryl GTX 830 del fabricante Sabic. En Sensata Technologies esta resina

se utiliza en la fabricación de conectores eléctricos; la figura muestra en la parte

superior una pieza inyectada que se utilizará para ensamblar un sensor electrónico; en

la parte central se muestra el Noryl en su forma granulada, que es como se recibe del

fabricante para proceder al termo-formado. Respecto al color, el Noryl de la derecha

aparece con su apariencia natural; mientras que al de la izquierda se le ha agregado




13

colorante negro; puede obtenerse en una gran variedad de colores ya que el

fabricante de la resina puede agregar aditivos colorantes según la aplicación.

2.2 MÁQUINAS INDUSTRIALES PARA LA INYECCIÓN DE

TERMOPLÁSTICOS El proceso de inyección de termoplásticos implica una máquina denominada prensa

de inyección, debido a que parte de la misma, está conformada por una prensa que

sujeta al molde. Las partes que la integran, así como los tamaños y opciones son muy

variados, pero en general contienen componentes similares. Existen en el mercado

muchos tipos de inyectoras, pero la que sobresale especialmente en la industria de

fabricación de sensores es la inyectora horizontal, que utiliza un tornillo para generar la

plasticidad de la resina a inyectar.

En la figura 2-4 se muestra una máquina industrial de inyección de termoplástico; en la

figura 2-5 se puede observar una línea de producción compuesta por varias máquinas

inyectoras.

Fig. 2-3 Muestra granular del polímero

PPE+PS+PA (Noryl GTX830).

Fig. 2-5 Línea de producción de

inyección.

Fig. 2-4 Inyectora industrial marca

Arburg.




14

2.2.1 Máquina basada en tornillo inyector reciproco

La máquina de inyección de termoplástico utiliza un pistón o un tornillo extrusor para

forzar el paso del polímero fundido al interior del molde. La máquina de émbolo fue la

primera en ser desarrollada, es un sistema de pistón que se calienta con el polímero en

su interior, sin embargo la tendencia actual se inclina a que este tipo de máquinas

sean sustituidas por la máquina de tornillo reciproco, aunque aún se utilizan en la

actualidad.

Los últimos avances tecnológicos en cuanto a las máquinas de inyección industrial,

están encaminados al empleo de sistemas de control mediante programas

informáticos para controlar las principales variables que intervienen en el proceso

como presión, temperatura y tiempos de inyección.

2.2.2 Componentes básicos de la inyectora

Una máquina de inyección o prensa inyectora tiene usualmente cuatro secciones

principales que la componen: unidad de control, unidad de cierre, unidad de

inyección y unidad de potencia; la figura 2-6 muestra un esquema donde se pueden

apreciar dichas secciones; en la parte inferior se encuentra una lista de los

componentes de la inyectora (2).

Fig. 2-6 Esquema de inyectora de termoplásticos.




15

1. Tolva alimentadora.

2. Cubierta de barril.

3. Barril con bandas calefactoras.

4. Cilindro de inyección.

5. Boquilla.

6. Tornillo.

7. Controlador de temperatura de aceite.

8. Alarma de temperatura de aceite.

9. Motor Hidráulico.

10. Motor eléctrico.

11. Bomba hidráulica.

12. Acumulador.

13. Sensor de temperatura de aceite.

14. Filtro.

15. Válvula hidráulica de control.

16. Placas porta-molde.

17. Sistema de cierre con palancas acodadas.

18. Columnas guías.

19. Controlador electrónico para control del proceso.

2.2.3 Unidad de Potencia

La unidad de potencia es la sección de la inyectora que genera la energía usada para

convertir el polímero granulado a su condición plástica e impulsar el polímero dentro

de las cavidades del molde. Las inyectoras hidráulicas se basan en dos sub-

componentes principales, la unidad hidráulica que genera la presión en el aceite y el

motor hidráulico que mueve al tornillo para impulsar el material fundido dentro del

molde. Las inyectoras eléctricas, usan servomotores en lugar del los componentes

hidráulicos para las mismas funciones.

2.2.4 Unidad de inyección

La unidad de inyección realiza las funciones de cargar y plastificar el material sólido

mediante el giro del tornillo, mover el tornillo axialmente para inyectar el material

plastificado hacia las cavidades del molde y mantenerlo bajo presión hasta que sea

expulsado. La unidad de inyección es fundamentalmente un extrusor de un solo tornillo;

en general se puede decir que consta de un tornillo de Arquímedes, que gira dentro

de un barril o camisa con una distancia mínima entre la pared del barril y el hilo del

tornillo. El barril tiene bandas calefactoras que lo rodean y sirven para calentar y

difundir el material mientras avanza por el tornillo. La profundidad del canal del tornillo

disminuye desde el extremo de alimentación hacia el extremo de salida para




16

favorecer la compresión del contenido. Los gránulos del polímero frío se cargan en el

extremo de la alimentación y el polímero fundido sale por el extremo de salida. El

calentamiento se debe en parte a los calentadores del barril y en parte a la disipación

viscosa que ocurre conforme el polímero fundido avanza a lo largo del tornillo.

El tornillo de Arquímedes está hecho de acero de alta resistencia, pulido o cromado

para facilitar el movimiento del material en su superficie. Existen tres tipos importantes

de unidades de inyección: unidades de pistón de una fase, unidades de pistón tornillo

de dos fases y unidades en línea con tornillo alternativo.

Actualmente, la mayoría de las máquinas de inyección se fabrican con el sistema de

tornillo alternativo, se le llama así porque alterna sus funciones de giro e inyección.

2.2.4.1 La boquilla

La boquilla conecta las dos mitades de la máquina para dejar pasar el material

fundido de la etapa de plastificación hacia el molde. Por lo común, la boquilla se

calienta por medio de una banda calefactora, pero también se genera el

calentamiento viscoso, ya que en este punto, el canal se estrecha y por lo tanto la

viscosidad de corte es más alta, esto a su vez facilita la inyección. Debe evitarse que

el polímero solidifique en la boquilla después de la inyección y retención de cerrado

del molde; esta sería la situación que se crearía por el contacto con el molde frío.

2.2.5 Unidad de Control

La unidad de control en la inyectora son los circuitos eléctricos, electrónicas y el control

numérico especializado para controlar temperaturas, presiones y fuerzas durante el

ciclo de inyección.

2.2.6 Unidad de cierre

La función de la unidad de cierre es mantener cerrado el molde con la fuerza

suficiente para resistir la presión de inyección y evitar fugas en las superficies de

acoplamiento del molde. El cierre se efectúa mediante un mecanismo de presión

mecánico o hidráulico. Así, la carrera de la mitad móvil de la prensa debe ser suficiente

para la profundidad de la pieza moldeada, también debe ser suficiente para poder

botarla, lo cual significa más del doble de la profundidad de moldeo. La fuerza

necesaria de cierre para una pieza moldeada determinada, puede encontrarse a




17

partir de su área proyectada. La presión de inyección que se aplica sobre el área

proyectada proporciona la fuerza de inyección y por lo tanto, la fuerza de cierre que

se requiere para resistirla. Una manera de evaluar el tamaño de máquina es

considerando la fuerza de la unidad de cierre, cuanto mayor sea la fuerza disponible

más grande es la máquina.

2.2.6.1 Placa móvil de la unidad de cierre

La placa móvil de la unidad de cierre soporta la parte móvil del molde. Esta se mueve

axialmente hacia adelante y hacia atrás sobre las columnas guía, permitiendo que el

molde se cierre o se abra.

2.2.6.2 Placa estacionaria trasera de la unidad de cierre

La placa estacionaria trasera soporta el mecanismo de cierre de esta unidad y es

sobre la que se ejerce la fuerza para el cierre del molde.

2.2.6.3 Placa estacionaria frontal de la unidad de cierre

La placa estacionaria frontal está fija a la base de la máquina, ocupando

normalmente la parte central de la misma y conecta, por un lado a la unidad de

inyección, y por otro lado a la unidad de cierre. Esta placa es la que soporta a una de

las mitades del molde, la parte fija.

2.3 EL PROCESO DE INYECCIÓN DE TERMOPLÁSTICOS Cuando se aplica calor a un material termoplástico para fundirlo, se dice que se

―plastifica‖. El material plastificado por calor puede hacerse fluir mediante la

aplicación de presión para llenar el molde donde el material se solidificará y tomará la

forma del mismo. A este proceso se le conoce como moldeo por inyección. El proceso

de moldeo por inyección comprende tres operaciones básicas en la máquina: cierre

de molde, inyección de termoplástico y por último, la expulsión de la pieza.

Durante el proceso de inyección, hay varios factores que deben ser considerados.




18

2.3.1 Parámetros básicos que intervienen en el proceso de inyección

Hay una gran variedad de parámetros que afectan el proceso de inyección de

termoplásticos, los principales son: temperatura, presión, tiempo y distancia. La figura

2-7 muestra en forma esquemática como se relacionan estos parámetros entre sí.

Temperatura. Debe tomarse en cuenta la temperatura del tornillo que se utiliza para

plastificar el material y también la temperatura del molde; para regularlas, usualmente

hay dos tipos de controles, uno en la máquina de inyección, que se encarga de

controlar la temperatura del tornillo y del barril para asegurar que se realice la

plastificación y el otro, que se encarga de regular la temperatura del molde; éste

último puede usar resistencias eléctricas o controlarse por agua o aceite que se

calientan en una unidad externa separada.

Presión. Usualmente, los parámetros de presión son controlados por la máquina, que

monitorea la velocidad a la que gira el tornillo y la activación o desactivación del

pistón de inyección o de un motor, según sea el caso. Otra presión importante que se

controla es la fuerza con la que se cierra el molde.

Tiempo. Es muy importante controlar el tiempo en que permanece cerrado el molde y

lograr que sea suficiente para permitir la solidificación de la pieza inyectada y que al

abrirlo, esta no se deforme.

Distancia. Para controlar el intervalo que recorre el pistón de inyección actualmente se

utilizan sistemas de retroalimentación como encoders, que miden electrónicamente el

desplazamiento del sistema de pistón.

Fig. 2-7 Parámetros principales

que afectan la inyección de

termoplásticos.




19

2.3.2 Presión de inyección y su relación con los componentes

Se requiere de una alta presión en la máquina para inyectar el material termoplástico

debido a la alta viscosidad que presentan los polímeros fundidos, esta condición se

puede lograr mediante dos opciones; en una, la presión se aplica por medio del tornillo

y en la segunda, la presión se puede generar mediante un cilindro hidráulico (cuyo

diámetro es de 10 a 15 veces el del tornillo), el cual eleva la presión hasta alcanzar la

que se necesita para inyectar el material viscoso fundido.

2.4 PROBLEMAS DETECTADOS EN LOS MOLDES DE INYECCIÓN Los problemas que se han detectado en los moldes de inyección de termoplásticos

que provocan defectos en las piezas inyectadas pueden clasificarse en tres tipos: los

relacionados al diseño del molde, los relacionados al tipo de resina que se va a utilizar y

finalmente, los relacionados con la selección de los materiales de fabricación del

molde.

2.4.1. Problemas de moldes relacionados a su diseño

Los problemas de los moldes relacionados con el diseño del mismo para evitar

defectos en las piezas inyectadas, pueden minimizarse mediante la simulación de los

flujos de inyección por computadora. Este método, representa un importante avance

en los últimos años, ya que, por ejemplo, se puede simular en el ordenador, un diseño

de molde que se proponga y analizar el flujo de material en él así como realizar las

mejoras en el diseño y confirmar su eficacia antes de construirlo. La compañía

Moldflow es la iniciadora del uso de métodos de diseño por computadora, el banco de

datos de su sistema, contiene datos reológicos (características físicas y mecánicas), de

temperatura y presión de diferentes polímeros, que facilita realizar simulaciones muy

próximas a la realidad e incluso permite utilizar otras herramientas adicionales de

software (CAD) y fabricación (CAM) que aceleran y facilitan la construcción del molde

físico.

Los simuladores de inyección actuales, como el Moldflow y Moldex3D contienen

opciones de herramientas que incluyen familias de moldes predeterminadas con las

normas industriales, que ahorran mucho tiempo en el diseño de moldes.




20

2.4.2 Problemas con la selección del polímero

La correcta selección del polímero que se va a inyectar en el molde, minimiza los

problemas de calidad relacionados a los defectos en las piezas inyectadas. Por lo

común se encuentra que, varios polímeros trabajan de manera similar, en estos casos,

la decisión final al elegir el material, dependerá tanto del costo como de las

preferencias del proveedor. Sin embargo, una vez más, el surgimiento de las

computadoras hizo posible tener facilidades para solucionar este problema, se usan

bancos de datos que contienen las propiedades generales, mecánicas, eléctricas,

etc., de diversos polímeros y se seleccionan las que igualen los requerimientos de

diseño del producto.

2.4.3 Selección de los materiales de fabricación del molde

Los materiales de fabricación del molde deben elegirse con la correcta dureza para

soportar las presiones de inyección que se requieren y de igual forma, los tratamientos y

recubrimientos de superficie deben seleccionarse adecuadamente para lograr los

acabados esperados de las piezas plásticas y también para proteger adecuadamente

la superficie del molde; con esto, se logran reducir los problemas de calidad en las

piezas inyectadas al minimizar el desgaste prematuro del molde.

Los tratamientos de superficie o aplicación de recubrimientos, que han sido muy

conocidos para las herramientas de corte, son casi inexplorados para los moldes de

piezas inyectadas. Sin embargo, los tratamientos superficiales avanzados como

recubrimientos PVD y la implantación de iones han ido ganando lentamente terreno

en este mercado poco común y difícil.

2.5 DESGASTE EN MOLDES DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO Uno de los mayores desafíos para resolver los problemas del deterioro en los moldes de

inyección de plástico es el de predecir el tipo o tipos de desgaste a que se someterán

las partes que componen el molde, tales como insertos, corazones y sus partes

estructurales. Se dice que un acero sufre desgaste cuando se remueve de la superficie

sólida una cantidad de material, este fenómeno puede ocurrir de tres maneras: por

fusión, por disolución química o por separación física de los átomos de la superficie.

La figura 2-8 ilustra los tres tipos de desgaste que pueden ocurrir en el acero.




21

Separación física de los

átomos de la superficie

Fusión del aceroDisolución química del

acero

Fig. 2-8 Causas del desgaste en el acero.

Los procesos de desgaste mecánicos y químicos pueden funcionar por separado o en

conjunto, por ejemplo cuando sucede la abrasión en un medio corrosivo. Para poder

determinar la cantidad de desgaste en los moldes, se requiere una combinación de

análisis de fallas y pruebas de simulación.

La fusión del acero se refiere a que el calor extremo va derritiendo poco a poco parte

de la superficie del molde. La disolución química se refiere a que el acero se diluye al

reaccionar con químicos que están usualmente presentes en los materiales de

inyección y la separación física de los átomos de la superficie del acero se puede dar

mediante la aplicación de un esfuerzo único muy elevado o produciendo esfuerzos

cíclicos en magnitudes inferiores.

2.5.1 Desgaste en el molde por separación física de los átomos

Los desgastes producidos por la separación física de los átomos de la superficie en un

molde de inyección de plástico pueden clasificarse como sigue:

Abrasivo. Usualmente es generado por la aplicación de un esfuerzo único muy elevado

o produciendo esfuerzos cíclicos en magnitudes inferiores.

No abrasivo. Se puede producir por deslizamiento, rodamiento o impacto.

La figura 2-9 muestra los dos tipos de desgaste por separación física de los átomos de

la superficie y sus diferentes causas.




22

Un estudio realizado por los Doctores Pischow, Kivivuori y Korhonen (3), explica que las

herramientas y moldes utilizados en los procesos de inyección de plástico,

normalmente están expuestos a procesos de alta temperatura con choques térmicos

producen desgastes adhesivos por deslizamiento en la superficie del molde. El desgaste

adhesivo por deslizamiento es conocido también como fricción. La figura 2-10 muestra

una sub-categoría en la que se enlistan las diferentes condiciones en que se genera el

desgaste por fricción

Fig. 2-10 Sub-clasificación al desgaste por deslizamiento (fricción).

El desgaste debido a la fricción es un factor significativo en la vida de los moldes de

inyección, el más importante es el generado por fricción de sólido contra otro sólido

más un fluido.

Fig. 2-9 Los diferentes tipos de desgaste en los moldes de inyección.




23

2.5.2 Tipos de disolución química del acero en el molde

Una de las formas de desgaste del molde está relacionada con la erosión o disolución

química del acero. Los tipos de erosión o disolución química que pueden ocurrir en los

moldes de inyección se muestran en la figura 2-11.

Fig. 2-11 Tipos de erosión o disolución química.

2.5.3 Medición de desgaste en un molde mediante la topografía superficial

Una forma de medir el desgaste de la superficie de un molde consiste en emplear un

equipo denominado profilómetro láser de superficie para determinar la topografía

superficial. El método consiste en obtener la topografía de la superficie antes de ser

expuesta a un desgaste y después de la exposición. La diferencia entre ambas

topografías es el volumen de masa perdido.

En la figura 2-12 se muestra un ejemplo del uso del profilómetro láser midiendo el

desgaste del molde. La imagen a corresponde a la topografía de la superficie del

molde antes de ser expuesta al desgaste y la b es después de ser expuesta a 3000

ciclos de inyección de polímero. (4)




24

Fig. 2-12 Topografía superficial de un molde.

La figura 2-13 es una imagen tridimensional que se obtiene con el profilómetro que

representa la diferencia de alturas de una superficie. Los ejes X y Y representan la

ubicación de cada uno de los puntos de medición que componen la superficie de la

imagen generadas durante un barrido del haz láser en un área de mil micrones en el

eje X y mil micrones en el eje Y; los colores que se ven en la superficie representan

diferentes alturas y su referencia es la barra de colores (que está a la derecha de la

imagen), en donde se puede apreciar la relación entre los diferentes colores y alturas.

Fig. 2-13 Ejemplo de una imagen 3D del profilómetro

láser.

Existen otros equipos más sofisticados que se pueden utilizar para la medición del

desgaste en superficies, tal como el microscopio electrónico de escaneo (SEM), el cual

no se explora aquí, ya que el método usando el profilómetro láser es más práctico por

tiempo y costo para este proyecto.




25

2.5.4.1 Principio de operación del profilómetro láser

El principio de operación del profilómetro láser se basa en medir el ángulo de un haz

láser que se refleja en la superficie del objeto en medición. El ángulo del haz láser se

determina por medio de un sensor fotoeléctrico montado en la cabeza de medición

del profilómetro; el sensor fotoeléctrico convierte las variaciones de ángulo en un

voltaje, que es interpretado por una computadora para crear un plano tridimensional

de la superficie. La figura 2-14 muestra el fenómeno físico que ocurre en la cabeza de

medición del profilómetro durante su operación. En la cabeza de medición tiene

instalado un diodo láser y un detector de luz láser. La luz láser pasa a través de una

serie de lentes que enfocan el haz de luz sobre la superficie a medir, la luz reflejada en

la superficie regresa a la cabeza de medición y otro lente la dirige al detector láser, el

cual convierte los desplazamientos del haz reflejado en incrementos de voltaje que

puede leer la computadora integrada al profilómetro e interpretarla como variaciones

en altura.

Fig. 2-14 Cabeza de medición del profilómetro láser.

2.6 MATERIALES UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE MOLDES Y SUS

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS Actualmente en la fabricación de moldes de inyección de plástico los proveedores de

Sensata Technologies utilizan principalmente aceros que son considerados típicos en

la industria del plástico. La tabla 2-1 muestra los aceros que emplean los proveedores

de inyección de Sensata Technologies en el territorio nacional.




26

Aceros usados por proveedores de Sensata Technologies

A2 S7 4140 H13 4130 D2 H11 O-1

Tabla 2-1 Aceros para moldes de inyección.

No todos los moldes utilizados en Sensata Technologies tienen un recubrimiento de

superficie, sin embargo, muchos de ellos presentan algún tratamiento térmico. El

recubrimiento más utilizado es el de nitruro de cromo (CrN), que tiene una apariencia

color gris plata y es conocido comercialmente como Crovage H; es aplicado por el

proveedor Balinit. No existe evidencia de que se esté utilizando algún otro tipo de

recubrimiento como nitruro de titanio u otros.

2.6.1 Materiales para construcción de moldes de inyección de plástico

Los materiales utilizados en la fabricación de moldes de inyección de plástico deben

cubrir ciertas características mínimas para lograr la calidad y durabilidad del molde,

no todos los materiales cubren estos requisitos.

A continuación se enlistan algunos de los aceros recomendados por la sociedad de

ingeniería y manufactura de Estados Unidos (SME) para la fabricación de moldes

dedicados a la inyección de plásticos y que son utilizados por los proveedores de

inyección en la república mexicana.

Aleación de acero 4130, es una aleación de acero de alta resistencia utilizado

principalmente en la fabricación de moldes para la cavidad y placas base retenedor,

placas de soporte y placas de sujeción y se suministra en durezas de 26 a 35 Rc.

Acero grado herramienta S-7, es a prueba de golpes con buena resistencia al

desgaste, este acero se utiliza para enclavamientos y pestillos; es endurecido entre 55

y 58 Rc.

Acero grado herramienta O-1, este es un acero de propósito general, utilizado para

pequeños insertos y núcleos con un endurecido de 56 a 62 Rc.

Acero grado herramienta A-2, este acero tiene buena estabilidad dimensional y

resistencia a la abrasión y se utiliza para fabricar deslizaderas y pernos, se endurece

entre un rango de 55 y 58 Rc.




27

Acero grado herramienta D2, este acero tiene alto contenido de cromo y de carbono;

es difícil de moler, pero tiene excelente resistencia a la abrasión. Se utiliza para la

fabricación de porta insertos, elevadores y deslizaderas, se endurece entre 58 y 60 Rc.

Acero grado herramienta H-13, es un acero de muy alta dureza, utilizado para los

requerimientos de cavidades y núcleos de alta calidad. Principalmente usado para

expulsores, extractores de colada, pernos guía y pasadores de ángulo. Se suministra

en su versión recocida en un rango de 15 a 20 Rc, pero puede ser endurecido a 60 Rc

con poca distorsión mediante temple.

La tabla 2-2 muestra otros materiales que también son recomendados por la SME para

la fabricación de moldes de inyección de termoplásticos y que incluyen aluminios y

aleaciones además de otros aceros. También se muestran en la tabla las principales

características de cada material.

Materiales recomendados por la SME para fabricación de moldes.

MATERIAL: CARACTRISTICAS BÁSICAS:

ACERO AL CARBÓN 1020

Este acero se utiliza para fabricar las placas expulsoras y el eyector retenedor de placas; es de fácil operación en máquina y soldado con autógena. No es generalmente templado debido a la distorsión y deformación, este material debe ser primero carburado si se requiere el endurecimiento.


Utilizado para bases de molde, las cubiertas del eyector y placas de sujeción; este acero tiene 25% mayor fuerza extensible que el 1020 y puede ser fácilmente mecanizado y soldado con autógena. Se puede endurecer de 20 a 30 Rockwell C (Rc).


Comúnmente utilizado para pilares de soporte, este acero duro tiene buena resistencia a la compresión y puede ser endurecido a 20 a 25 Rc.

ALEACIÓN DE ACERO 6145

El uso principal para este tipo de acero es para los bujes de los rabos de colada y se suministra de 42 a 48 Rc.

ACERO GRADO

HERRAMIENTA A-6

Es un acero endurecido por aceite, de propósito general con alta dureza y buena estabilidad dimensional, su uso principal es para cavidades de calidad óptica y los corazones, se endurece de 56 al 60 Rc.

ACERO GRADO

HERRAMIENTA P-20

Es un modificado del acero 4130, comúnmente conocido como “prehard”, que es un pre-endurecido. Se suministra en una dureza de 28 a 40 Rc, que se considera moderadamente alta, tiene buena manufacturabilidad y pulido excepcional. Se utiliza principalmente para las cavidades y núcleos, así como para placas de matrices.

ACERO INOXIDABLE 420

Utilizado en aplicaciones que requieren resistencia química excepcional (por ejemplo, moldeo de resinas de PVC); este acero generalmente se suministra en estado recocido de 15 a 25 Rc, pero puede ser endurecido a 55 o 60 Rc. Su principal uso es como acero de núcleos y cavidades.

ALUMINIO 7075

Hasta hace poco, el aluminio era considerado como un material sólo para moldes de baja producción o prototipo de bajo volumen. El uso de la aleación 7075, ha creado oportunidades para utilizar aluminio para producciones de alto volumen de hasta millones de ciclos, incluso los plásticos reforzados con vidrio y alta temperatura pueden ser producidos en moldes de este material.




28

BERILIO 10 CUBO, CUBO 20 Y CUBO 275

Los tipos de berilio y cobre más comúnmente utilizados para los corazones y las cavidades son cubo10, cubo 20 y cubo 275. Se diferencian principalmente por la fuerza extensible (los números más altos tienen mayor fuerza extensible); además, los grados superiores permiten mayores niveles de dureza, esta oscila entre un mínimo de 40 Rc para cubo 10 hasta un máximo de 46 Rc para cubo 275.

Tabla 2-2 Otros materiales para moldes recomendados por la SME.

2.7 RECUBRIMIENTOS PARA MOLDES DE INYECCIÓN DE

TERMOPLÁSTICOS

2.7.1 La aplicación de temperatura elevada al poner recubrimientos como el

principal obstáculo a vencer

La implementación industrial de recubrimientos duros resistentes al desgaste, comenzó

con recubrimientos aplicados mediante la técnica de deposición química en fase

vapor (CVD). Sin embargo, la temperatura que debe alcanzarse en este proceso que

supera los 1000 °C, limita la aplicación a materiales de acero para herramientas que no

requieren tolerancias demasiado cerradas debido al riesgo de los posibles cambios

dimensionales o la pérdida significativa de la dureza durante la aplicación del

recubrimiento. Más tarde, el desarrollo de procesos de deposición física en fase a

vapor (PVD) para aplicar recubrimientos basados en Titanio (Ti) a temperaturas de

aproximadamente 450 °C hizo posible el revestimiento de acero al carbón sin

tratamiento térmico posterior. Este avance inició una muy rápida expansión en la

aplicación de recubrimientos protectores para herramientas de corte. Después del

2010 el desarrollo de la técnica de deposición física en fase a vapor asistida por

magnetrón (PVD sputtering) hizo posible recubrir otros tipos de aceros sin afectar

durezas o dimensiones, haciendo de este método la forma ideal para su utilización en

la aplicación de recubrimientos para los moldes de inyección de plástico. (3)

2.7.2 Recubrimientos sugeridos por la SME desde el año 1998

Actualmente la sociedad de ingenieros en manufactura de Estados Unidos (SME por sus

siglas en inglés) propone la utilización de diversos procesos y métodos de mejora

superficial con el objeto de proporcionar propiedades específicas al molde,

principalmente en el área de núcleos y cavidades. El desarrollo que ha tenido la




29

tecnología en el moldeo por inyección de plástico ha generado que se estén

realizando importantes mejoras en el diseño de las máquinas, la selección de los

materiales y de sus recubrimientos.

Desde que se inició el uso extensivo de la inyección del plástico en los mercados

industriales, han existido varios tipos de recubrimientos para los moldes, los que

destacan por su popularidad desde 1998 son:

CLASIFICA-

CIÓN

NOMBRE

DESCRIPCION DEL RECUBRIMIENTO

RECUBRI-

MIENTO

METÁLICO

DELGADO

DICRONITE

DL-5™

Es un bisulfuro de tungsteno modificado en forma laminar, se aplica a

temperatura ambiente. Se utiliza principalmente en vez de agentes

desmoldantes y puede ser utilizado en todos los materiales del molde y

recubrimientos.

WS2™

Es un bisulfuro de tungsteno modificado en forma laminar, se aplica a

temperatura ambiente con aire a presión y puede ser utilizado en todas

las superficies metálicas estables. Se convierte en parte del sustrato,

teniendo la misma dureza y no puede eliminarse sin quitar parte de la

superficie del mismo.

CO-

DEPOSICIÓN

DE PTFE-

METÁLICO

POLYOND™

Es un material de fósforo-níquel impregnado con resinas de flourocarbono

incluyendo politetraflouroetileno (PTFE o teflón™), es aplicado por la

deposición de níquel electrolítico, seguido por un baño de polímero y

después es colocado en un horno a 371 °C para fijar el polímero en la

superficie. Puede aplicarse sobre acero, aluminio, latón, bronce y hierro

fundido entre otros. Se utiliza para eliminar residuos, prolongar la vida de la

herramienta y aumentar la dureza superficial a 70 Rc.

TFE-LOK™

Es un impregnado de PTFE, cuando se aplica el cromo duro por

electrodeposición, se calienta para expandir los poros que luego son

impregnados con partículas TFE heladas a alta presión. El proceso se realiza

a 204° C y puede colocarse en cualquier acero, acero inoxidable,

aluminio, o aleación de cobre. Se utiliza por sus propiedades de liberación

permanente e incrementa la dureza a 70 Rc.

NEDOX-

SF2™

Niquelado modificado con PTFE, el níquel es modificado para aumentar la

porosidad, y el polímero es aplicado y fijado por calor a 399 °C. Se utiliza

para controlar con precisión el espesor de la superficie del molde para

piezas de tolerancia muy cerradas y puede ser utilizado en todos los

materiales ferrosos y algunos no-ferroso, incluyendo Aluminio. Puede lograr

una dureza hasta 70 Rc.

NITUFF™

Es un recubrimiento PTFE aplicado sobre una capa dura de anodizado que

se utiliza únicamente sobre la superficie del moldes de aluminio. La

superficie está anodizada y luego es sumergida en PTFE a

aproximadamente a 93 °C. NituffTM aumenta las características de flujo y

la liberación e incrementa la resistencia al desgaste debido a que alcanza

una dureza de hasta 62 Rc.




30

NICKLON™

Es una aleación de níquel-fósforo 10.5% con 25% PTFE suspendido en la

matriz, se aplica a 66 °C por co-deposito del níquel y PTFE, se emplea en

cualquier sustancia metálica. Se utiliza por sus propiedades de liberación

de molde y, si se aplica un tratamiento térmico, puede alcanzar hasta una

dureza de 70 Rc.

NICOTEF™

Una combinación de partículas sub-micrónicas de PTFE suspendido en una

matriz de níquel-fósforo, se aplica a través de un proceso de co-

deposición a 91 °C y puede ser utilizado en la mayoría de los metales,

incluyendo aluminio. Se aplica en capas gruesas para aumentar la

resistencia a la corrosión. Puede lograr una dureza de 35 a 46 Rc.

NYE-TEF™

Es una suspensión de partículas de PTFE submicron suspendido en una

matriz de níquel-fósforo, se aplica mediante un proceso auto-catalítico de

co-deposición a 35 °C sobre las superficies de metal, incluyendo el latón y

el aluminio. Se utiliza por sus propiedades de liberación de molde y

anticorrosión. Alcanza un nivel de dureza de 48 a 68 Rc.

NUTMEG

CHROMIUM-

PLUS™

Una combinación de cromo/PTFE, se aplica a través de la deposición

electrolítica a 77 ° C en acero, acero inoxidable o latón, pero no aluminio.

Se utiliza principalmente para resistir la abrasión y puede alcanzar una

resistencia a la abrasión del 24% mayor que el cromo solo. Tiene un grado

de dureza de 70 Rc.

PLATINADOS

METÁLICOS

CROMO

DURO

INDUSTRIAL

Este platinado es considerado un estándar en la industria para añadir

espesor a las superficies desgastadas por chapado. Se encuentra

disponible con muchos proveedores y es aplicado por electrodeposición

de cromo más cantidades de óxidos de hidrógeno a 60 ° C. Aunque tiene

un nivel de dureza de 70 Rc y buena adherencia sobre la mayoría de los

metales, se ablanda a 204 °C.

ARMOLOY™

Es una aleación de cromo denso que se aplica a los metales ferrosos y no

ferrosos, excepto aluminio, en un proceso de cataforesis a 60 °C, tiene

buenas propiedades de liberación y resistencia al desgaste y es excelente

para el uso con polímeros reforzados con fibra de vidrio, puede lograr una

dureza de 72 Rc.

ELECTROLESS

NICKEL

Este es el recubrimiento más popular para moldes. Es una aleación de

níquel combinada con diferentes contenidos de fósforo para proporcionar

propiedades específicas. Aplicado a través de depósito electrolítico a 82

°C y hasta 204 °C en post horneado. Alcanza una dureza de 48 Rc y al ser

aplicado un tratamiento térmico puede alcanzar una dureza de hasta 70

Rc.

NUTMEG

TUNGSTEN

NICKEL

Es una aleación de Tungsteno y Níquel, se aplica mediante la deposición

electrolítica sobre cualquier superficie metálica a 66 °C y alcanza un

grado de dureza de hasta 65 Rc. Es excelente para la resistencia a la

corrosión y permite bien el pulido.

TRATAMIEN-

TOS

DE

ENDURECIDO

SUPERFICIAL

MELONITE™

Es un proceso de nitración termo-mecánico con baño de sal que

reacciona a cualquier ferroso de sustrato metálico para crear nitruros, se

realiza a 579 °C y alcanza una dureza de hasta 70 Rc. Es extremadamente

resistente al desgaste y mejora las propiedades de fatiga del 20% al 100%.




31

POLÍMEROS

IMPREG-

NADOS

ELECTRO-

LIZADO

Es un proceso patentado con una aleación de cromo no magnética

mediante deposición a 32 °C, puede ser utilizado en cualquier acero de

herramienta, aceros tipo 4100, aceros inoxidables o aluminio. Aumenta la

resistencia al desgaste, reduce la fricción, ayuda al desmolde y puede ser

utilizado para la reparación. Tiene un nivel de dureza de 72 Rc.

Lamentablemente varios de los recubrimientos recomendados por la SME no se

pueden aplicar exitosamente para mejorar los moldes en todos los casos ya que,

algunos de ellos requieren calentamientos muy elevados que exceden la temperatura

de revenido de los aceros, lo que produce debilitamiento en el grado de dureza del

molde causando daños prematuros y algunas veces deformaciones en las parte

plásticas inyectadas. Por lo anterior, estos recubrimientos solo se aplican a un sector

reducido de los moldes.

2.7.3 Nueva generación de recubrimientos disponibles a partir del año 2010

Los doctores E.J. Bienk y N.J. Mikkelsen (5) explican que cada vez más la industria

moderna está siendo obligada a utilizar una nueva gama de materiales para la

fabricación de los moldes, así como para los tratamientos y recubrimientos superficiales

que se aplican a estos, con la finalidad de cubrir las grandes exigencias de

productividad y calidad que se demandan de los productos de plástico inyectado.

Debido a las crecientes exigencias de los mercados automotrices, la industria del

plástico está en rápida expansión ya que, gracias al empleo de los nuevos materiales

plásticos, se han venido sustituyendo cada vez más a muchos otros, tales como

textiles, madera, papel, vidrio, metales o incluso materiales a base de piedra. Por esto,

la mejora de los moldes de producción en la industria del plástico es una necesidad

creciente, además de la generación de nuevos materiales, mejoras de diseño y el uso

de las tecnologías modernas, el tratamiento superficial en moldes es uno de los más

importantes medios para alcanzar esta meta (6).

De acuerdo al Dr. E.J. Bienk (7), uno de los principales problemas que se logró resolver

después del año 2010, fue el de la aplicación de recubrimientos por deposición en

fase vapor a temperaturas relativamente bajas.

Un ejemplo de los recubrimientos aplicados usando la técnica PVD es el recubrimiento

de capa delgada de nitruro de Titanio, que es un revestimiento que se aplica a una




32

temperatura de 510 °C. A través de una ionización negativa, el proceso de

deposición en fase vapor (PVD) se utiliza en la mayoría de los aceros, acero inoxidable

y cobre-berilio; se emplea principalmente para reducir la fricción. Puede alcanzar un

grado de dureza de 85 Rc. Sin embargo como explica el Dr. P.A. Dearnley se puede

aplicar el mismo recubrimiento a temperaturas menores usando una técnica llamada

―PVD Sputtering‖ (8).

Según la Sociedad de manufactura e Ingeniería (SME) (1) se puede dividir los tipos de

recubrimientos en dos: los existentes hasta el año 1998 donde los más avanzados eran

los aplicados por el método CVD o deposición química en fase vapor y los aplicados a

partir de del año 2010, cuando se inicia el proceso de deposición física en fase vapor

apoyada o asistida por un sistema llamado magnetrón, conocido como ―PVD

sputtering‖.

Al emplear el proceso de PVD sputtering, se logra incorporar a las opciones industriales

una nueva serie de recubrimientos como los que se mencionan a continuación:

Carbono como diamante DLC (carbono amorfo tetraédrico).

Nano-compuestos de (Ti,Si,Al)Nx.

Nano-compuesto Cr-Ag-N & Cr-W-N.

Recubrimientos bi-capa como CrCN / CrN:ta-C.

Recubrimientos tri-capa CrCN / CrCN / DLC.

Recubrimientos multicapas como TiAlCrSiN.

Recubrimientos multicapas como AlTiN / MexN.

Según la experimentación hecha por el Dr. F.J.G Silva realizada en el 2011 (9), el

recubrimiento tri-capa CrN / CrCN / DLC es capaz de incrementar hasta 25 veces la

resistencia al desgaste. Algo interesante de esa investigación es que el material

carbono como diamante (DLC) es la ultima capa expuesta del recubrimiento, el cual

tiene muy bajo coeficiente de fricción y se aplica a una temperatura por debajo de

los 150 °C, este recubrimiento registra la dureza más alta disponibles de 95 Rc.




33

2.8. DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR (PVD) La deposición física de vapor (PVD por sus siglas en inglés) es un proceso que deposita

capas de átomos o moléculas en la fase de vapor sobre un sustrato sólido en una

cámara de vacío. La figura 2-15 muestra en la imagen de la izquierda una cámara de

alto vacío y la posición de los electrodos, a la derecha se ve la fotografía de una

máquina comercial PVD. La flecha indica la localización de la cámara de vacío en la

máquina. Este proceso alcanza una alta ionización del material evaporado, donde la

capa depositada tiene una excelente adhesión.

Fig. 2-15 Máquina PVD comercial y detalle de una cámara de vacío.

2.8.1 Descripción del proceso de deposición en fase vapor (PVD)

El proceso la deposición física en fase vapor deposita una capa de material metálico

combinado con gases como el nitrógeno en la superficie objetivo. Las materias primas

(los metales), se convierten de su estado sólido a su estado gaseoso y después se

ionizan por exposición a la energía térmica en el proceso de arco. La figura 2-16

muestra el proceso físico de la deposición de nitruro de titanio (TiN) en una pieza de

trabajo, las moléculas evaporadas de titanio se desprenden del cátodo debido a la

alta temperatura y baja presión, generando un estado de plasma.

Los iones de titanio se unen a los átomos de nitrógeno creando el nitruro de titanio, el

cual es guiado mediante el campo eléctrico a la pieza de trabajo donde se depositará

el recubrimiento.

http://www.torr.com/sites/default/files/mag-sput-flyer-drawing.png




34

Fig. 2-16 Proceso de deposición de vapor física (PVD).

2.8.2 Mejora del Proceso PVD con el método “sputtering” o con “asistencia de

magnetrón”

La aplicación del proceso PVD ―sputtering‖ es una versión mejorada del proceso PVD,

en el que se utiliza una fuente de energía cinética, que permite reducir la temperatura

dentro de la cámara al aplicar la energía del magnetrón, que ayuda a desprender

con mayor facilidad los átomos del electrodo metálico. El electrodo de metal es

bombardeado con iones de alta energía generados por el magnetrón, este proceso

extrae los átomos y los transforma de su estado sólido al estado gaseoso (ver figura 2-

17).

Fig. 2-17 Proceso PVD usando el magnetrón (sputtering).

El proceso sputtering, implica la expulsión de material de un "objetivo" que es una

fuente sobre un "sustrato" (por ejemplo, una oblea de silicio) en una cámara de vacío.

Este efecto es causado por el bombardeo del blanco por un gas ionizado, que a

menudo es un gas inerte como el nitrógeno.




35

Una clara ventaja de este proceso es, que permite transferencia directa de energía a

la fuente durante el calentamiento y es muy eficiente en depositar material puro

evaporado al sustrato. Además, el porcentaje de deposición en este método puede

ser tan baja como 1 µm/min (millonésimas de metro por minuto) o incrementarse el

grosor de la capa modificando los parámetros de aplicación del PVD. La eficacia de

la utilización de material es alta en comparación con otros métodos de aplicación de

capas delgadas y el proceso ofrece un mejor control estructural y morfológico sobre la

aplicación de las películas.

Debido a la tasa de deposición que puede ajustarse y ser muy alta, este proceso tiene

aplicación potencial en la industria aeroespacial, la industria de las herramientas de

corte, la industria de semiconductores así como en la industria óptica.

El sputtering se utiliza ampliamente en la industria del semiconductor para depósito de

películas delgadas de diversos materiales en la fabricación de circuitos integrados.

Los recubrimientos anti-reflejantes sobre vidrio para aplicaciones ópticas también son

depositados por la misma técnica. Debido a la temperatura de 121 °C usada en el PVD

sputtering es un método ideal para depositar metales en transistores de película

delgada. Una ventaja importante de la técnica de sputtering es que, los materiales

con puntos de fusión muy altos son fácilmente tratados.

Al aplicar la ionización se genera una coloración característica generada por el

plasma, la figura 2-18 muestra como se ve este fenómeno óptico durante la aplicación

del voltaje de ionización dentro de la cámara de alto vacío.

Fig. 2-18 Fenómeno de plasma dentro del sistema PVD sputtering.

En la figura 2-19 se muestra una foto del equipo de recubrimiento industrial para

deposición catódica de DLC desde los electrodos de material grafito, se pueden

observar dos cátodos de magnetrón en el lado izquierdo de la imagen. (6)




36

Fig. 2-19 Equipo industrial PVD sputtering.

La figura 2-20 muestra el principio de operación del magnetrón usado en el

―sputtering‖ de la PVD. Los electrones son atrapados por un campo magnético no

homogéneo, lo que provoca una mayor ionización de los átomos.

Fig. 2-20 El principio “sputtering” del magnetrón.

3 . DIRECTRICES DE LA INVESTIGACIÓN Esta sección explica cómo se genera la hipótesis de la investigación; inicia con la

identificación de los factores que afectan al desgaste de los moldes, separando los

factores significativos de los que pueden convertirse en ruido experimental; luego son

evaluadas los trabajos previos relacionados al desgaste de moldes de inyección de

plásticos basado en los artículos de los doctores L. Martinez-Mateo [2011] (4), J.

Bergstrom [1997] (10), F.J.G. Silva [1999] (11), P.A. Pischow [1992] (3) y L. Carreras [2003]

(12). Las conclusiones y modelos matemáticos de las investigaciones previas sirven para

dirigir esta investigación hacia dos factores: el coeficiente de fricción y la dureza

superficial, que son identificados como los factores directamente relacionados al

desgaste de la superficie del molde. El siguiente paso es determinar los tipos de

recubrimientos que tienen una mayor dureza superficial y menor coeficiente de




37

fricción. Para seleccionar los mejores materiales que serán candidatos para la

experimentación, se recurre a la simulación por mecánica molecular utilizando el

software Hyperchem, donde las moléculas de varios recubrimientos son analizados en

sus características moleculares y finalmente, cuando se seleccionan los mejores

combinaciones, se relacionan las mediciones experimentales de fricción y dureza que

se obtienen del artículo de el doctor S.K. Field (13) para el recubrimiento carbono

como diamante y utilizando el método de regresión lineal, se genera la hipótesis de

investigación y su respectivo modelo matemático denominado en esta investigación:

ecuación-hipótesis para reducir el desgaste superficial de los moldes que utilizan el

termoplástico PPE+PS+PA.

3.1 IDENTIFICACIÓN DE LOS FACTORES DE DESGASTE De los diferentes factores que van a considerarse para el análisis del desgaste de

moldes, algunos de ellos serán usados en la experimentación como factores

principales, o sea las variables que se manipularán para confirmar las hipótesis, otros se

controlarán o se mantendrán fijos para asegurar que el resultado de la

experimentación no sea afectado por factores de ruido y para poder determinar los

que tiene un mayor impacto en el proceso del desgaste, estos factores pueden ser

muy variados, desde el efecto de la temperatura del polímero (10) como la dureza la

superficie o su coeficiente de fricción. La figura 3-1 muestra un resumen de los factores

más importantes que pueden afectar la vida de un molde de inyección cuando es

usado para aplicar el polímero PPE+PS+PA, donde los marcadores en rojo, indican los

que son posibles factores principales y los amarillos indican los factores secundarios que

pueden influir en la vida del molde si no son controlados.




38

Del análisis de estos factores se seleccionarán los principales para poder generar el

modelo matemático a utilizar como hipótesis de este proyecto. Algunos de los

diferentes factores que se analizaron son:

Presión de inyección.

Temperatura del polímero.

Tiempo de inyección.

Tiempo de enfriamiento y sostenimiento.

Densidad y contenido de vidrio del polímero.

Dureza del acero del que está hecho el molde.

Rugosidad de la superficie del molde.

Ángulos de salida para el desmolde.

Tamaño de los respiraderos del molde.

Diámetro interno de la boquilla de inyección.

Longitud y geometría de las cavidades del molde.

Micro-dureza de la superficie del molde.

Fig. 3-1 Factores que afectan la vida útil de los moldes.




39

Coeficiente de fricción de la superficie.

Potencial electrostático de la superficie.

Tamaño y geometría del material de refuerzo de la resina.

En este caso particular, la longitud de las cavidades del molde, la geometría, el

diámetro interno de la boquilla así como el tamaño de los respiraderos se van a

mantener fijos para todos los experimentos ya que se utilizará un simulador qué tendrá

estos factores exactamente iguales en cada una de las repeticiones del experimento.

En lo que se refiere a la presión de inyección y la temperatura estos serán controlados

mediante un sistema electrónico para poder asegurar una variación mínima del

sistema.

3.2 MODELO MATEMÁTICO DE DESGASTE EN INVESTIGACIONES

PREVIAS Para determinar el modelo matemático de desgaste para esta investigación se

revisaron algunos de los modelos propuestos en investigaciones previas. Se propone

usar el modelo matemático de desgaste por desplazamiento de Archard (15). Este

modelo es ampliamente utilizado para desarrollar programas para cálculo por

elemento finito, ya que permite simular con cierto grado de simplicidad el

comportamiento de los desgastes.

La reducción de desgaste en los moldes de inyección es extremadamente

conveniente para mejorar la vida útil de los componentes. Por desgracia, en sistemas

donde las partes están en contacto directo y existe un movimiento relativo, el desgaste

es inevitable, por otra parte, la diversidad y la complejidad del fenómeno, hacen difícil

el predecir con precisión la vida útil de las piezas mecánicas.

Podemos realizar muchos experimentos de desgaste para obtener un conocimiento

más exacto del comportamiento tribológico de la fricción. Sin embargo, la exploración

experimental no sólo es costosa, si no que, consume tiempo y recursos usualmente no

disponibles.

Se propone un método de predicción para resolver los problemas de desgaste de los

componentes del molde basado en el modelo de Archard, este modelo será

confirmado por la experimentación usando el simulador de inyección desarrollado

para este propósito.




40

3.2.1 El modelo de desgaste basado en la ley de Archard

El proceso de desgaste puede ser tratado como un proceso dinámico, dependiendo

de diversos parámetros. El modelo más frecuentemente usado se basa en la ley de

Archard (15), que se describe a continuación.

𝑽

𝑺= 𝒌

𝑭𝑵

𝑯 (a)

Donde 𝑽 es el volumen de desgaste, 𝑺 la distancia de desplazamiento, 𝑭𝑵 la carga

normal, 𝑯 la dureza de la superficie desgastada y 𝒌 la tasa de desgaste adimensional.

𝑽 = 𝒌 𝑭𝑵

𝑯 𝑺 (b)

𝑽 = 𝑻𝒂𝒔𝒂𝒅𝒆𝒅𝒆𝒔𝒈𝒂𝒔𝒕𝒆 𝒂𝒄𝒆𝒓𝒐 𝒓𝒆𝒄𝒖𝒃𝒓𝒊𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 𝑷𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏𝒎𝒐𝒍𝒅𝒆

𝑫𝒖𝒓𝒆𝒛𝒂𝑨𝒄𝒆𝒓𝒐𝒎𝒐𝒍𝒅𝒆 𝑺𝒖𝒑𝒆𝒓𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒄𝒂𝒗𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆𝒔 (c)

De acuerdo al estudio de F. Wendl, K.D. Wupper (16) sobre el desgaste de aceros para

moldes de inyección, se fue examinado el comportamiento de desgaste de diferentes

aceros comunes para los moldes de inyección de plástico y concluyeron que sólo el

aumento de la dureza del material afecta ligeramente la resistencia al desgaste, ya

que existe un límite máximo debido a la dureza de la martensita de aproximadamente

900 HV(dureza Vickers). Ellos concluyen que solo la dureza no es suficiente para reducir

el desgaste, que sólo se puede alcanzar una protección eficaz contra desgaste

abrasivo utilizando varias fases de recubrimiento duros (carburos) comúnmente

conocidos como recubrimientos multicapas.

3.2.2 Experimentación previa en desgaste de moldes

Los Doctores J. Bergstrom y F. Thuvander realizaron un estudio experimental para

evaluar el desgaste de la superficie de muestras de acero de moldes en una máquina

de inyección para producción masiva (10), ellos desarrollaron un porta especímenes

para esta medición. Realizaron el estudio comparativo en cuatro tipos de aceros de

moldes diferentes. Para la experimentación seleccionaron las condiciones de inyección




41

de polímeros (geometría cavidades, configuración de la máquina, polímero) con el fin

de acelerar la degradación de la superficie de la cavidad del molde. Utilizaron una

resina de policarbonato reforzado con fibra de vidrio, el Lexan 341R-739, que contiene

40% de su peso de fibras de vidrio corto, conocidas por su carácter abrasivo en los

moldes de acero. La figura 3-2 muestra a la derecha una fotografía del mecanismo de

simulación de desgaste que montaron en una máquina de producción en la boquilla

de salida para poder comparar los desgastes; en la imagen está indicada la

compuerta de inyección y la ubicación del espécimen de prueba. A la izquierda se

observa un dibujo del diseño del espécimen, el cual se recubre con el material de

prueba.

Fig. 3-2 Espécimen y porta espécimen en investigación previa.

La experimentación de los doctores Bergstrom y Thuvander es de particular interés ya

que estudia un desgaste producido por un polímero similar al PPE+PS+PA. La tabla 3-1

muestra algunas de las propiedades físicas del material que utilizaron, la resina Lexan

341R-379.

Densidad

(gr/cm3)

Modulo de Young

(MPa)

Dureza (MPa) Conductividad Térmica

(W/m oC)

Coeficiente

térmico (oC)-1

1.52 10000 145 0.22 2 x 10 -5

Tabla 3-1 Propiedades físicas del Lexan 341R-739.

En su investigación, los doctores observaron que las fibras de vidrio que están en la

resina reforzada tienen una forma cilíndrica que actúa como un cortador sobre la

superficie del molde erosionándolo. La figura 3-3 es una fotografía tomada con un




42

microscopio de barrido electrónico (SEM por sus siglas en inglés), donde se pueden ver

con claridad estos cilindros de vidrio que sirven de refuerzo a la resina.

Fig. 3-3 Imagen obtenida por SEM de las fibras de vidrio en un PPE+PS+PA.

La figura 3-4 muestra los daños que se producen en el molde, a los que los doctores

denominaron ―micro-impresiones‖, en estas huellas se puede observar como las fibras

de vidrio chocan contra la superficie de acero y, debido a su mayor dureza, producen

micro-erosiones que van desgastando el molde con el paso del tiempo.

Fig. 3-4 Daños ocasionados en la superficie del molde por las fibras de vidrio.

La figura 3-5 es una ampliación de la imagen del daño en el molde tomada con el

Microscopio de escaneo electrónico (SEM por sus siglas en inglés) a una escala de 10

micrones o 10 millonésimas de metro.




43

Fig. 3-5 Ampliación mostrando el detalle de las micro-impresiones en el acero.

3.2.3 Propuesta de modelo de desgaste J. Bergstrom y F. Thuvander

El mecanismo de desgaste más importante en los moldes de inyección, cuando se

utilizan polímeros reforzados en condiciones normales de mantenimiento y parámetros

correctos de inyección, es la abrasión por partículas duras (fibras de vidrio) que

producen cortes y raspaduras con los extremos de la fibra sobre la superficie del acero,

creando micro-cicatrices o micro-impresiones que después de un tiempo desgastan la

superficie del molde significativamente.

Los doctores J. Bergstrom y F. Thuvander en su análisis hacen una estimación del nivel

de estrés actuando sobre la fibra y sobre el acero del molde. El desarrollo del modelo

matemático que ellos propusieron se muestra a continuación:

𝝅𝒓𝒇𝟐 𝝈𝒇 +

𝒅𝝈𝒇

𝒅𝒙𝒅𝒙 − 𝝅𝒓𝒇

𝟐𝝈𝒇 + 𝟐𝝅𝒓𝒇𝝉𝒅𝒙 = 𝟎

donde𝒅𝝈𝒇

𝒅𝒙= −

𝟐𝝉

𝒓𝒇

La figura 3-6 muestra el esquema del esfuerzo de corte producido por la fibra de vidrio

con respecto a las fuerzas de empuje del polímero fundido contra las fuerzas de

fricción del molde, considerando también la longitud de la fibra.




44

Fig. 3-6 Esquema del esfuerzo de corte de una fibra de vidrio de refuerzo.

Donde:

𝝉 = es el esfuerzo de corte.

𝜼 = Viscosidad del polímero.

𝜸 = Velocidad de avance del polímero.

𝝉 = 𝜼𝜸 ; reemplazando𝝈𝒇𝒎𝒂𝒙 =𝟐𝜼𝜸

𝒓𝒇𝒍𝒇;𝑭 = 𝝈𝒇𝒎𝒂𝒙𝝅𝐫𝐟

𝟐

La figura 3-7 muestra el detalle del ángulo de la fibra con respecto a la superficie del

molde y la 3-8 muestra los detalles de la profundidad de la microimpresión en el

modelo propuesto por los doctores J. Bergstrom y F. Thuvander.

𝑭𝑵 ≅ 𝑭 𝐬𝐢𝐧(𝜶𝒇)

Fig. 3-7 Detalle del ángulo de la fibra con respecto a superficie del molde.

𝑭𝑵 ≅ 𝑯𝑨 ; 𝑨 = 𝑨𝟏 + 𝑨𝟐

Fig. 3-8 Esquema de la profundidad de micro-impresión en la superficie del molde.




45

Los esfuerzos transferidos por el derretimiento del polímero generan una tensión en las

terminaciones de fibra produciendo que éstas se deslicen como un cortador sobre la

superficie, creando micro-cicatrices. Los doctores Bergstrom y Thuvander basaron su

estudio experimental en el uso de un modelo que muestra la influencia de los

diferentes parámetros para este tipo de desgaste. La figura 3-9 muestra el desgaste

estimado de cuatro especímenes de diferentes tipos de acero (MOLDMAX, IMPAX,

STAVAX y ELMAX) con respecto a la velocidad de corte. En el eje x (share rate), se

representa la velocidad de corte y en el eje y (fibre Imprint width) se representa el

ancho de la microimpresión en la superficie del acero. En las gráficas se pueden

observar los valores teóricos en línea punteada y los valores medidos durante la

experimentación en línea sólida.

Fig. 3-9 Estimación desgaste de micro-impresiones en aceros vs velocidad de corte.

3.2.4 Conclusiones de la investigación previa

La conclusión del estudio de los doctores. J. Bergstrom y F. Thuvander fue que la

morfología y la densidad de las fibras de vidrio pueden explicar la capacidad abrasiva

del polímero PPE+PS+PA. Las fibras se comportan como multi-cortadores acarreados

por el fluido plástico. Teniendo en cuenta las características de la erosión de impacto

en las muestras que ellos usaron, determinaron que la propiedad del impacto inicial de

las fibras de vidrio es significativa. Las investigaciones presentadas en los artículos de




46

los doctores L. Martinez-Mateo [2011] (4), J. Bergstrom [1997] (10), F.J.G. Silva [1999] (11),

P.A. Pischow [1992] (3) y L. Carreras [2003] (12) confirman la hipótesis de los doctores. J.

Bergstrom y F. Thuvander de que, el coeficiente de fricción, en el caso de las fibras de

vidrio, es el principal factor de desgaste. La medición que hicieron los doctores en su

estudio muestra que debido a que la energía emitida en la entrada de contacto es

alta, si se traduce en términos de presión × velocidad, la potencia por unidad de

superficie es igual a 700W/mm2 bajo condiciones de inyección de chorro y 30W/mm2

bajo condiciones normales de inyección. Las variaciones en la orientación del flujo del

polímero debidas a las esquinas y a las variaciones de forma en el molde pueden

alterar la orientación de las fibras con respecto al ángulo de la superficie. En los

cálculos del modelo, la profundidad de impresión y la anchura dependen fuertemente

del ángulo de inclinación de fibra, donde, altos ángulos crean más impresiones o micro

erosiones más grandes y por lo tanto, causan un desgaste más severo. La condición de

chorro de inyección les permitió realizar pruebas que utilizaban tiempos de

experimentación reducidos con respecto a los tiempos normales para la prueba de

desgaste en máquinas y parámetros convencionales.

3.2.5 Mejora en el coeficiente de fricción en aplicaciones aeroespaciales

usando recubrimientos diamantados (DLC) mediante CVD

Los doctores T. Grogler y E. Zeiler (17) en un estudio de deposición de películas

delgadas de diamante, explican que la resistencia a la erosión de partículas sólidas en

titanio puede mejorarse considerablemente mediante la aplicación de una capa de

diamante por deposición CVD (deposición química en fase vapor). En particular, con

recubrimientos de diamante crecidos con concentraciones relativamente altas de

metano (4 – 10%). La razón de esta mejora en la resistencia a la erosión es debida a la

mayor fuerza generada por el crecimiento de defectos como gemelaridad y

nucleación secundaria. La figura 3-10 muestra la pérdida de masa después de exponer

la superficie de prueba a 1000 gramos de polímero desgastante. Algunos de sus

especímenes fueron aleación de titanio Ti-6Al-4V sin recubrimiento y otras con

diferentes recubrimiento CVD, así como diamantados en función del ángulo de

incidencia del polímero desgastante. El rendimiento superior de la película de




47

diamante (DLC) depositado con concentraciones de metano se puede observar en la

figura 3-11.

Fig. 3-10 Pérdida de masa después de ataque con 1000 gramos de polímero.

El artículo de los doctores T. Grogler y E. Zeiler muestra que el recubrimiento carbono

como diamante debe de ser uno de los primeros recubrimientos a probar en la

investigación, ya que es posible que se tengan resultados similares a los que se

obtuvieron cuando se aplicó en el campo aeroespacial.

Fig. 3-11 Pérdida de masa vs ataque de polímero.




48

3.3 SIMULACIÓN POR MECÁNICA MOLECULAR DE LOS

RECUBRIMIENTOS La simulación mecánica molecular ayuda a analizar y a obtener los datos para la

selección de los recubrimientos que se aplicarán en los especímenes de prueba

durante la etapa de experimentación, los dos factores más significativos relacionados

con el desgaste de los aceros de los moldes son: el coeficiente de fricción y la dureza

de los recubrimientos que se aplicarán en la superficie del molde (18). En la

investigación se propone que existe una correlación entre el coeficiente de fricción y la

dureza con dos características moleculares de los materiales que componen al

recubrimiento, estas características son el potencial electrostático molecular y el índice

LogP los cuales se usan para determinar los mejores recubrimientos candidatos para los

moldes de inyección de plástico.

El coeficiente de fricción tiene una correlación con el potencial electrostático de las

moléculas que componen los recubrimientos; para determinar el valor electrostático

de cada una de las muestras, en lugar de construir físicamente cada muestra y medir

la dureza y coeficiente de fricción, lo cual consume tiempo y recursos, se propone que

estas características se determinen mediante los programas de simulación de

mecánica molecular usados normalmente en la industria farmacéutica, para poder así

revisar múltiples combinaciones y seleccionar las mejores que sean compatibles con los

métodos de deposición física en fase a vapor con asistencia de magnetrón.

El software comercial de simulación de mecánica molecular puede determinar con

precisión los potenciales electrostáticos y los índices LogP que se propone

correlacionarlos con la dureza y el coeficiente de fricción.

3.3.1 Software seleccionado para modelación de mecánica molecular

El Software de modelación de mecánica molecular que se seleccionó para hacer las

simulaciones mecánicas de los recubrimientos es el HyperChem en su versión 7, ya

que, su aplicación es compatibles con la técnica de PVD sputtering, esto para

asegurar que pueden ser aplicados a los aceros con los que se fabrican los moldes de

inyección de plástico. La figura 3-12 muestra la imagen del empaque del software

HyperChem 7 utilizado para determinar los potenciales electrostáticos de los

especímenes del proyecto.




49

3.3.2 Modelación usando mecánica molecular para los recubrimientos de

moldes

La modelación o simulación por mecánica molecular para los recubrimientos que se

pueden aplicar a los moldes se realizó mediante el software HyperChem, que fue la

forma más adecuada para determinar los potenciales electrostáticos relacionados a

cada uno de los diferentes recubrimientos que se usan en esta investigación.

Se utilizó la opción de simulación del software llamada ―mecánica molecular‖, que es

el nombre de la estrategia de cálculo que usa para la simulación, la cual involucra los

valores LogP, cuyo índice permite determinar qué tanta resistencia tiene a los solventes

polares y el potencial electrostático, el cual es representado por un rango posible

debido a que la estructura molecular no se puede determinar con precisión. Para los

análisis de la investigación se usaron los potenciales máximos simulados por el software.

La razón de obtener los potenciales electrostáticos es que, este valor, está relacionado

con el coeficiente de fricción del material de los recubrimientos.

Los seis tipos diferentes de recubrimientos que se seleccionaron debido a que son

compatibles con la técnica de aplicación de PVD sputtering son:

Nitruro de titanio (TiN).

Nitruro de zirconio (ZrN).

Nitruro de cromo (CrN).

Carbono como diamante (DLC).

Nitruro de titanio aluminio (TiAlN).

Nitruro de Titanio carbón (TiCN).

Fig. 3-12 Software de simulación de mecánica

molecular HyperChem.




50

El modelado mediante el software Hyperchem se obtuvo mediante los siguientes pasos:

I. Se define la opción de modelación ―molecular mechanics modeling‖ en el

software HyperChem.

II. Se usa el editor nativo para dibujar la molécula usando la librería de átomos

integrada en la aplicación.

III. Se activa la opción de renderizado de los átomos para obtener el rango de

potencial electrostático y su representación tridimensional.

IV. Se activa la optimización geométrica que alinea los átomos de la molécula en

la configuración, dependiendo sus cargas y pesos atómicos. Esta etapa es

crítica para poder tener un modelado correcto del potencial electrostático.

V. Luego el software realiza el modelado determinando las propiedades QSAR (por

sus en inglés, Quantitative Structure - Activity Relationship) o la relación

cuantitativa estructura-actividad de la molécula donde se obtiene el valor LogP

que es el logaritmo del coeficiente de reparto.

Después de dibujar a los átomos que componen a la molécula en el editor del

HiperChem, se realiza la optimización la geometría para encontrar una estructura

balanceada dependiendo de las repulsiones electrónicas de cada átomo.

En las figuras 3-13 a 3-18 se muestran los potenciales electroestáticos de los materiales

propuestos para los recubrimientos en esta investigación.

Fig. 3-13 Simulación del potencial electrostático del nitruro de titanio aluminio.




51

Fig. 3-14 Simulación del potencial electrostático del nitruro de cromo.

Fig. 3-15 Simulación pot. electrostático del nitrurocarburo de titanio.

Fig. 3-16 Simulación del potencial electrostático del nitruro de titanio.




52

Fig. 3-17 Simulación del potencial electrostático del nitruro de zirconio.

La tabla 3-2 muestra un resumen de los potenciales electrostáticos en eVolts y los

valores LogP obtenidos por la simulación molecular para cada uno de los materiales

seleccionados para los recubrimientos de prueba.

Propiedad TiN ZrN DLC TiCN TiAlN TCrN

LOG P 0.15 -0.05 -0.49 0.22 0.15 0.15

POTENCIAL

ELECTROESTATICO

(eV)

3.776 - 0.188

0.194 - 0.710

0.131 - 0.181

1.596 - 0.091

1.195 - 0.213

10.615 - 0.035

Tabla 3-2 Potenciales electrostáticos de diversos recubrimientos.

Fig. 3-18 Simulación de potencial electrostático del diamante como carbón (DLC).




53

3.4 HIPÓTESIS DE INVESTIGACIÓN La hipótesis de la investigación se basa primero, en demostrar que existe una

correlación entre el coeficiente de fricción de los recubrimientos y el desgaste que

produce el polímero PPE+PS+PA en la superficie de un molde. Adicionalmente busca la

correlación entre el coeficiente de fricción y el potencial electrostático molecular de

los recubrimientos que se pueden aplicar con la técnica de PVD sputtering. Finalmente,

busca predecir mediante un modelo matemático confirmado por un estudio de

regresión estadístico el desgaste de diferentes recubrimientos.

3.4.1 Regresión lineal usando datos de investigaciones previas

Después de analizar las investigaciones previas de los doctores T. Grogler y E. Zeiler (17)

se realiza un estudio de correlación estadística entre el desgaste de la superficie del

molde atacada por un flujo de polímero reforzado con fibra de vidrio versus la micro

dureza y luego con el coeficiente de fricción de los recubrimientos. En el primer

estudio de correlación se concluye, que no existe una correlación entre la micro-

dureza de la superficie del recubrimiento y el desgaste observado en la investigación

de T. Grogler y E. Zeiler. En el segundo estudio se encontró una correlación lineal

positiva con un ajuste del 97.5%. Al aplicar un estudio de regresión lineal se obtuvo un

modelo matemático que se expresa como:

Y = -0.02547 + (0.4873*X ) (ecuación 3.4.1.a)

Donde: X = coeficiente de fricción en HV.

Y = desgaste del molde en gramos.

Donde este modelo es capaz de predecir la variable Y, que es el desgaste en gramos

del recubrimiento, este modelo puede predecir el 97.5% de los datos con respecto a X,

que es el coeficiente de fricción. Sin embargo, se utilizaron pocas mediciones, lo que

implica que se debe hacer una confirmación experimental adicional para poder

confirmar la validez de este modelo matemático.

El análisis de regresión lineal (19) de la figura 3-19 muestra la relación entre el

coeficiente de fricción y la pérdida de masa por desgaste cuando se usa polímero

reforzado con fibra de vidrio, esto está observado también en el trabajo de Dearnley,




54

0.05).

Coheficiente de friccion is not statistically significant (p >

The relationship between perdida de masa and

> 0.50.10.050

NoYes

P = 0.071

accounted for by the regression model.

97.50% of the variation in perdida de masa can be

100%0%

R-sq (adj) = 97.50%

0.05).

Coheficiente de friccion is not statistically significant (p >

The correlation between perdida de masa and

10-1

0.99

0.40.30.2

0.15

0.10

0.05

Coheficiente de friccion

perd

ida d

e m

asa

causes Y.

A statistically significant relationship does not imply that X

perdida de masa.

correspond to a desired value or range of values for

friccion, or find the settings for Coheficiente de friccion that

to predict perdida de masa for a value of Coheficiente de

If the model fits the data well, this equation can be used

Y = - 0.02547 + 0.4873 X

relationship between Y and X is:

The fitted equation for the linear model that describes the

Y: perdida de masa

X: Coheficiente de friccion

Is there a relationship between Y and X?

Fitted Line Plot for Linear Model

Y = - 0.02547 + 0.4873 X

Comments

Regression for perdida de masa vs Coheficiente de friccion

Summary Report

% of variation accounted for by model

Correlation between Y and X

Negative No correlation Positive

en el que ocurre un fenómeno similar, donde el coeficiente de fricción es uno de los

factores más críticos para el desgaste de moldes. (8)

El modelo matemático (ecuación 3.4.1.a) relaciona el desgaste de la superficie del

molde con el coeficiente de fricción, se usa como base para proponer la ecuación-

hipótesis. El desgaste y el coeficiente de fricción de los recubrimientos implicados son

variables que se ajustan en el modelo matemático y se incorpora la relación con el

potencial electrostático molecular de los recubrimientos.

3.4.2 Ecuación-hipótesis propuesta en esta investigación

La hipótesis propuesta es que se puede determinar el desgaste en los moldes mediante

la ecuación- hipótesis mostrada en la ecuación a1 y la ecuación a2. Estas fórmulas, se

pueden aplicar para seleccionar los recubrimientos que tendrán una resistencia

Fig. 3-19 Análisis de regresión entre coeficiente de fricción y desgaste.




55

superior al desgaste por erosión de la fibra de vidrio de refuerzo en los molde de

inyección que usan el polímero PPE+PS+PA. La hipótesis también estipula que los

recubrimientos serán aplicados mediante la técnica de deposición física en fase vapor

(PVD) en su modo de deposición catódica (sputtering) o también llamada con

asistencia mediante magnetrón a temperaturas por debajo de +100 °C, para evitar

deformaciones de las secciones del molde.

La ecuación-hipótesis se presenta como sigue:

𝑫𝒎𝒔 = −𝟎.𝟎𝟐𝟓𝟒𝟕 + 𝟎.𝟒𝟖𝟕𝟑 ∗ 𝑪𝒇 𝒆𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝒂𝟏

𝑪𝒇 = 𝒂 + 𝒃 ∗ 𝑷𝒆 𝒆𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝒂𝟐

Sustituyendo 2 en 1

𝑫𝒎𝒔 = −𝟎.𝟎𝟐𝟓𝟒𝟕 + 𝟎.𝟒𝟖𝟕𝟑 ∗ 𝒂 + 𝒃 ∗ 𝑷𝒆 (𝒆𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝒂𝟑)

Las ecuaciones [a1] y [a3] se denominarán como ―ecuación-hipótesis‖ para la

predicción de desgaste. La ecuación [a1] está basada en el coeficiente de fricción y

la ecuación [a3] en el potencial electrostático molecular del recubrimiento. Ambas

ecuaciones se pretenden comprobar con la experimentación como fundamento de la

hipótesis.

Donde:

𝑫𝒎𝒔 = Desgaste de la superficie en gramos cuando se expone a 1,612 cm2 de polímero

PPS+PS+PA erosionando la superficie.

𝑪𝒇 = Coeficiente de fricción del recubrimiento en acero (seco).

𝑷𝒆 = Potencial electrostático de la molécula del recubrimiento.

𝒂,𝒃 = Constantes a calcular basadas en modelo electrostático.




56

4. PROPUESTA DE EXPERIMENTACIÓN

La metodología y técnicas utilizadas para comprobar la hipótesis de que, el potencial

electrostático de las moléculas o el coeficiente de fricción de los recubrimientos

aplicados a los moldes de inyección de plásticos, pueden predecir el desgaste y

ayudar a seleccionar una variedad de recubrimientos para incrementar

significativamente la resistencia al desgaste al trabajar con polímeros reforzados con

fibra de vidrio, se explican a continuación.

El principio básico es comparar distintas muestras de recubrimientos que tendrán

diferentes coeficientes de fricción y diferentes niveles de potencial electrostático

moleculares. Para la fase experimental de este trabajo de investigación, se usara una

técnica estadística denominada ―prueba t-student para muestra única‖, (19) para

determinar si la predicción de la ecuación-hipótesis de desgaste obtenida está dentro

del intervalo de confianza de la media de las mediciones. Para la parte del proyecto

de implementación a nivel industrial, en Sensata Technologies se realizará una

experimentación más extensa, donde la técnica para finalizar la confirmación de la

hipótesis se basará en comparar los desgastes de los moldes unos contra otros, y esos

resultados se van a utilizar para entender que tanto se apegan a la ecuación-hipótesis

de predicción de desgaste propuesta en esta tesina para predecir la vida que tendrán

los moldes de inyección. Para realizar esta comparación se ha decidido utilizar el

método estadístico ANOVA para poder comparar las posibles combinaciones con los

diferentes recubrimientos y aceros, ambas técnicas estadísticas, (la prueba t-student

para muestra única y el análisis ANOVA) van a poder ayudar a determinar si

estadísticamente existe una diferencia significativa entre los resultados de ambas

pruebas y así, en base a esto, rechazar o aceptar la hipótesis propuesta.

4.1 FASES DEL PROYECTO DE TESINA PARA LA MEJORA DE VIDA EN

MOLDES EN SENSATA TECHNOLOGIES El proyecto en Sensata Technologies para la mejora de vida de moldes requiere en la

fase inicial la comprobación de la hipótesis motivo de estas tesis, y después con esa

base justificada, la siguiente fase es la aplicación práctica de cada una de las

combinaciones de acero-recubrimiento para confirmar la durabilidad de los moldes.




57

Otro factor importante, es definir el método de restitución de los recubrimientos para

mantener los moldes en las condiciones ideales de operación. Para delimitar el

proyecto, se establece que se hará el análisis inicial con dos tipos de recubrimientos,

el TiN (nitruro de titanio) y el DLC (carbono como diamante), cuando se tengan los

resultados de la investigación se lanzará el proyecto de implementación masiva

iniciando con verificar los otras combinaciones de prueba propuestas que no fueron

evaluadas en esta primera parte de la investigación. Después se documentará

oficialmente en Sensata Technologies los nuevos requerimientos para la fabricación de

moldes, tomando en consideración los mejores tipos de recubrimientos obtenidos con

la experimentación para cada caso. Finalmente se propone lanzar una campaña

masiva para modificar los moldes existentes con los proveedores de Sensata

Technologies para aplicarles los recubrimientos y se implementará el requerimiento a

todos los nuevos moldes.

El esquema de la figura 4-1 muestra en color verde el alcance de la tesina con el

análisis de dos recubrimientos, el nitruro de titanio y el diamante como carbón, y en

azul claro el plan para lanzamiento masivo y experimentación de todas las

combinaciones de materiales de moldes y recubrimientos propuestas.

Fig. 4-1 Alcance proyecto

4.1.1 Alcance de la investigación de tesina y propuesta de implementación

masiva en Sensata Technologies

En esta investigación es necesario hacer una separación clara entre lo que cubre la

tesina que se presenta y el proyecto de implementación masiva. La principal razón de




58

delimitar la investigación es para reducir el tiempo requerido para confirmar la hipótesis

y contar con argumentos sólidos para justificar la inversión (financiera) del resto de la

experimentación propuesta y así, poder aplicar todos los conocimientos obtenidos

para incrementar el tiempo de vida útil de los moldes de inyección de plásticos que

usan la resina Noryl en Sensata Technologies.

La recomendación inicial, basada en los tipos de aceros que se utilizan en la

fabricación de moldes en Sensata Technologies y en los recubrimientos que se pueden

aplicar mediante la técnica de deposición en fase a vapor asistida por magnetrón

(PVD sputtering), se resume en 54 posibles combinaciones, que a partir de este

momento se denominarán ―especímenes‖. Para analizar los 54 distintos especímenes

de acero-recubrimiento, es necesario determinar si existe una diferencia estadística

significativa, para asegurar esto, se deben tener al menos 5 réplicas de cada uno de

los especímenes de prueba, por lo que número total de muestras requeridas serán de

270 especímenes que, por el monto de su costo total, requieren en Sensata

Technologies, de una aprobación adicional denominada ―Solicitud de capital‖ para

poder realizar la adquisición de los mismos y poder complementar la experimentación.

Para delimitar el proyecto de investigación de tesina se decide usar solo dos

combinaciones de recubrimientos y con ellas, demostrar que el proyecto es fiable y

confirmar experimentalmente la hipótesis propuesta; una vez que los resultados estén

disponibles, el siguiente paso es comenzar con el proceso de solicitud de capital, para

fabricar mediante un proveedor externo los 270 especímenes faltantes, para

completar en su totalidad la experimentación que dará como resultado la nueva lista

de requisitos para la fabricación de moldes en Sensata Technologies.

La técnica estadística que se eligió para analizar los 270 especímenes es el análisis

ANOVA, el cual permitirá conocer cuáles grupos de especímenes tienen una

diferencia estadística significativa con respecto a la resistencia al desgaste de los

recubrimientos que se usan en los aceros de los moldes de inyección de plástico, al

compararse entre ellos y obtener la lista de los mejores recubrimientos cuando se usa

el Noryl. Cuando se complete la experimentación con los 270 especímenes iniciará el

proyecto de implementación para lograr que esta investigación se convierta en una

aplicación práctica.




59

El cronograma de la figura 4-2 muestra con detalle las dos fases del proyecto de

investigación.

El cronograma está dividido en seis columnas, la primera (ID) indica el número de cada

actividad; la columna dos describe la actividad; las columnas tres y cuatro dan las

fechas de inicio y final de cada actividad respectivamente; la quinta columna es la

duración en semanas de las actividades y por último, la columna seis es la

representación gráfica de los tiempos en que ocurrirá la actividad y su duración. Puede

notarse que la escala de tiempo en la última columna está en años y está subdividida

en cuartos de año, que es el estándar para planeaciones que se utiliza en Sensata

Technologies.

El alcance de la investigación de esta tesina está delimitada a las primeras ocho

actividades del cronograma, las cuales son: definición y lanzamiento del proyecto de

investigación, obtener resinas muestra y licencias de software Moldex3D e HyperChem

7, fabricación de especímenes recubiertos con TiN (nitruro de titanio) y DLC (diamante

como carbón), construcción del primer simulador de inyección, construcción del

prototipo final del simulador de inyección basado en lecciones aprendidas y su diseño

basado en simulaciones y, finalmente, la experimentación inicial basada en los

especímenes con recubrimientos TiN y DLC y sus respectivo análisis estadísticos con

conclusiones.

Observando el cronograma puede verse en el primer renglón, marcado con un

símbolo de diamante color negro el inicio del proyecto de investigación de tesis; en la

última columna del renglón ocho, otro diamante negro indica el final de la

investigación de la tesina y el inicio de la segunda etapa del proyecto que comprende

la experimentación final con los 54 especímenes y la implementación masiva. En la

última columna del renglón trece, se muestra la fecha tentativa para terminar todo el

proyecto de implementación en Sensata Technologies.




60

Fig. 4-2 Cronograma de tesina y proyecto de implementación.

4.1.2 Necesidad de un simulador de inyección para la experimentación y

especímenes de prueba

Una de las limitantes que se consideraron para la experimentación fue la disponibilidad

de inyectoras de plástico, ya que casi la totalidad de ellas no están presentes en

Sensata Technologies Aguascalientes, sino que están localizadas con diferentes

proveedores alrededor del mundo; esto en sí mismo es una limitante mayor para la

experimentación; por otro las pocas máquinas de inyección de plásticos que existen en

la planta en Aguascalientes, usualmente trabajan a máxima capacidad en la

producción masiva de los conectores y otras partes plásticas que se requieren día a

día, lo que impidió disponer de ellas para la primera fase de experimentación. Por estas

razones, se hizo necesario construir un simulador de inyección que genere las mismas

condiciones de desgaste que tienen las máquinas industriales de inyección a una

escala tal que se pueda situar toda la experimentación en un ambiente controlado




61

de laboratorio, los detalles técnicos del diseño e implementación del equipo puede

verse en el anexo A.

Debido a que la construcción de moldes para realizar las pruebas es muy tardada y

costosa se buscó una opción que sea compatible con el simulador de inyección, en

este caso fue seleccionada la estrategia de construir un molde único capaz de simular

las condiciones del interior de un molde de inyección industrial, dotado con áreas

internas reemplazables donde se alojarán insertos con los diferentes recubrimientos de

prueba. A lo largo de la experimentación se denominarán ―insertos de prueba‖ o

―especímenes de prueba‖ a las áreas donde se probarán los recubrimientos.

Para reducir el tiempo de experimentación se diseñó el molde base para que tenga la

capacidad de desgastar varios especímenes simultáneamente y asegurar que son

expuestos exactamente a las mismas condiciones. La tabla 4-1 muestra la selección

inicial de los recubrimientos y aceros a utilizar para la experimentación, de esta tabla se

seleccionaron finalmente dos combinaciones para comprobar la hipótesis. Aparecen

en letras color amarillo los materiales seleccionados para la primera etapa de

experimentación.

Recubrimientos Aceros

TiN

ZrN

CrN

DLC

TiALN

TiALN+TiALN

TiCN

WCC +a-c:H

A2

S7

4140PH

H13

4130

D2

Tabla 4-1 Materiales seleccionados para experimentación.

4.1.2.1 Especímenes para evaluar el desgaste

Para poder construir los especímenes de prueba y evaluar el desgaste en los moldes de

inyección, inicialmente se eligen ocho recubrimientos disponibles que pueden ser

aplicados exitosamente a moldes de inyección sin deformarlos mediante la técnica de

PVD ―sputtering‖ a baja temperatura (121 grados Celsius). La tabla 4-2 muestra las 12

combinaciones seleccionadas inicialmente para la experimentación propuesta.




62

Número del

Espécimen

Tipo de

Recubrimiento

Tipo de

Acero

1 TiN D2

2 TiN D2 3 TiN D2 4 TiN D2 5 WCC +a-c:H D2 6 WCC +a-c:H D2 7 WCC +a-c:H D2 8 WCC +a-c:H D2 9 Sin recubrimiento D2

10 Sin recubrimiento D2 11 Sin recubrimiento D2 12 Sin recubrimiento D2

Tabla 4-2 Combinaciones seleccionadas para la experimentación.

Los dos recubrimientos que aparecen en la tabla 4-2 fueron seleccionados por los

resultados obtenidos en el análisis de potencial electrostático; estos recubrimientos

tienen un bajo coeficiente de fricción.

Después de determinar los recubrimientos, se inició el proceso de selección de

proveedor y cotización para fabricar los especímenes de prueba.

4.1.3 Método estadístico para comprobar la hipótesis basada en “t-student para

una muestra”

El método estadístico seleccionado para comprobar la hipótesis es una prueba ―t-

student para una muestra‖ (19) , este método fue seleccionado debido a que permite

comparar la media de una muestra contra un valor objetivo, en este caso, la

experimentación generará un grupo de mediciones de desgaste por cada uno de los

dos especímenes de prueba TiN y DLC con sus cuatro respectivas replicas, los cuales se

compararán contra un valor de predicción generado por la ecuación hipótesis, la

prueba estadística t-student para una muestra permite comprobar si es posible aceptar

que la media de la muestra contiene a un valor determinado, en este caso, el de la

predicción de la ecuación hipótesis. La mecánica de aplicación inicia con la toma de

una muestra y el test permite evaluar si es razonable mantener la hipótesis nula o en

otras palabras, si la predicción de la ecuación hipótesis está dentro del intervalo,

donde sabemos que, la media de la muestra se encuentra con un 95% de confianza.

(19).




63

Las ecuaciones 4.1.3 a, 4.1.3 b y 4.1.3 c representan la hipótesis escrita con el

estadístico t-student, se trata de una prueba de hipótesis paramétrica; o sea, parte de

la suposición de que la variable analizada en el conjunto de la población sigue una

variabilidad, una distribución como la de la campana de Gauss o normal. Por lo tanto,

podemos pensar que la distribución normal es un buen modelo de esa población.

Puede observarse que se construye un estadístico (4.1.3 c) que sigue la distribución t-

student si es cierta la Hipótesis nula. Por lo tanto, el cálculo del estadístico a la muestra

que tenemos es un número, este número que pondremos en relación con la

distribución del estadístico en caso de ser cierta la Hipótesis nula (4.1.3 a). Si cae en una

zona central de esa distribución de probabilidad 0.95 (el 95% de confianza)

mantendremos la Hipótesis nula. Si cae fuera de esa zona, la rechazaremos y nos

inclinaremos por la hipótesis alternativa (4.1.3 b).

𝐻0: µ = µ0 (4.1.3 a)

𝐻𝐴: µ ≠ µ0 (4.1.3 b)

𝑇 = 𝑥 −µ0

𝑆

𝑛

≡ 𝑡𝑛−1 (4.1.3 c)

Donde:

𝑥 = 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑙

𝑆 = 𝑑𝑒𝑠𝑣𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑

𝑛 = 𝑡𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑙

𝑡 = 𝑡 𝑑𝑒 𝑠𝑡𝑢𝑑𝑒𝑛𝑡

µ0 = 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑟

Se utiliza el software MINITAB® versión 14.12.0 para el análisis de los datos que se

obtengan de la experimentación.

En la figura 4-3 se muestra un ejemplo de una prueba estadística t-student para una

muestra. La gráfica de la figura 4-4 representa el resultado de comparar una muestra

contra un valor objetivo denominado H0. Se puede interpretar la gráfica como sigue:

la línea azul representa el rango donde se tiene la seguridad que se va a encontrar la

media y el punto H0 (representado con una pequeña cruz dentro de un círculo rojo), al

valor objetivo que se está comparando. Si el punto H0 se encuentra sobre la línea azul,

significa que la media de las mediciones contiene al punto H0, por lo tanto se

considera que el punto H0 es igual a la media del grupo de mediciones. Sin embargo




64

en la gráfica se puede ver que el punto H0 está alejado de la línea azul, por lo cual, se

concluye que el punto H0 no es parte de la media del grupo de mediciones. En la

gráfica, se marcan con círculos azules tanto el intervalo de confianza donde se

encuentra la media como el punto H0 en la evaluación.

En términos estadísticos se expresa el resultado de la prueba como sigue: para H0: µ = 5

(hipótesis nula) se calcula como -2.56. El valor p de esta prueba, o la probabilidad de

obtener más valor extremo de la estadística de prueba por casualidad si era cierto, la

hipótesis nula es 0.034. Esto se llama el nivel de significancia logrado, valor p. Por lo

tanto, se rechazar H0 ya que su nivel aceptable es mayor que el valor de p, ó 0.034.

Fig. 4-3 Ejemplo de prueba estadística t-student para una muestra.

La figura 4-4 muestra una tabla de valores críticos t con 𝑣 grados de libertad. Esta tabla

es la que nos permite evaluar el resultado del estadístico que se presenta en la

ecuación 4.1.3 c, donde, dependiendo del resultado al evaluar este estadístico, su

resultado se compara con esta tabla para definir si se acepta la hipótesis nula o no. El

software Minitab tiene incluido el cálculo para obtener este tipo de tablas y

proporciona la evaluación automáticamente.

Values

5.25.04.84.64.44.24.0

X_

Ho

Individual Value Plot of Values(with Ho and 90% t-confidence interval for the mean)




65

Fig. 4-4 Distribución t-student.

4.1.4 Estimación de la duración de una repetición de prueba

Para determinar el número de ciclos necesarios para producir un desgaste medible en

el profilómetro láser Cyberscan, se usa como base el estudio de los doctores J.

Bergstromy F. Thuvander (10) (una explicación más detallada de esta parte de la

teoría se encuentra en la sección 3.2.5). En su experimento, ellos lograron obtener

desgastes medibles en una escala de 10 µm después de exponer a 1000 gr de polímero

(Lexan 341R-739) a los especímenes de prueba.

El tiempo del ciclo de inyección es determinado principalmente por la sección de

pared más gruesa de la parte plástica a inyectar (2). Se usa como guía la gráfica de la

figura 4-5, para hacer la determinación del tiempo ciclo que se requiere para

completar una inyección, y se asume que el molde se colocará en una máquina o

simulador de moldeado de tamaño adecuado y que todas las fases del proceso de

inyección son tiempos promedio.

La gráfica de la figura 4-5 se obtuvo como resultado de pruebas reales realizadas por

Texas Plastic Technologies entre 1991 y 1994 (1), usando una gran variedad de




66

polímeros. La gráfica proporciona un valor bastante aproximado al tiempo que se va a

requerir.

Fig. 4-5 Tiempo de ciclo de inyección contra el grosor de la pared inyectada.

En la figura 4-5 el eje de las x representa el grosor de la parte a inyectar (o pared

dependiendo de la geometría) y el eje de las y representa el tiempo necesario para

completar una inyección en segundos. Se puede observar que de 0.25 mm a 2 mm

hay un incremento lineal del tiempo de inyección y que a grosores mayores a 2 mm se

incrementa de manera exponencial.

La conclusión a partir de la gráfica 4-5 para el diseño de la parte a inyectar en este

proyecto de investigación, determina que si se diseñan las piezas plásticas

generadoras de desgaste en espesores de pared del orden de 6.5 mm, se esperaría

poder tener ciclos de inyección de 60 segundos por ciclo de inyección.

Se propone iniciar la experimentación considerando un total de 1000 inyecciones, ya

que cada pieza termo-formada requiere un gramo de polímero, esto para asegurar

que el desgaste sea medible.

El experimento requiere probar 12 posibles combinaciones (ver tabla 4-2) para cubrir

los recubrimientos seleccionados para el experimento y la cantidad mínima de ciclos

de inyección será de 1000 para lograr un desgaste medible.

Tiempo estimado = (60 segundos) (12 combinaciones)(1000 Ciclos)

Tiempo estimado = 720,000 segundos




67

Tiempo estimado = 200 horas

Este tiempo resulta excesivo para la experimentación ya que representa 200 horas de

operación continua, más los tiempos de cambios de especímenes, por lo que se

determina que se hará un molde con multi-cavidades para reducir el tiempo de la

primera etapa de la experimentación.

Se seleccionó una geometría de la pieza desgastadora que permite evaluar 4 insertos

o especímenes simultáneamente, lo cual equivale a tener 4 cavidades.

Tiempo de experimento = 200 horas/4 = 50 horas experimentación continua.

Por lo que la duración del experimento probando los 12 especímenes será de 50 horas

por cada replica. El cálculo de este tiempo se precisará después de realizar la

simulación de flujo en el software Moldex3D.

4.2 ANÁLISIS DE ELEMENTO FINITO EN PARTE PLÁSTICA PARA GENERAR

DESGASTE EN ESPÉCIMEN. El análisis de elemento finito en la parte plástica para generar desgaste en los

especímenes es una de las lecciones aprendidas más importantes en este proyecto de

investigación. Durante la investigacióninicial, en la que se construyó lo que se

denominará más adelante el ―Prototipo de simulador de inyección inicial‖ al comenzar

a hacer las primeras inyecciones, se produjo una falla estructural en el simulador de

inyección pues sufrió fracturas considerables debido a cargas excesivas de fuerza

durante los ciclos de simulación. Esto se produjo principalmente por la falta de

parámetros correctos para la inyección de la parte plástica en la etapa del diseño y la

construcción del prototipo inicial, ya que fue construido usando sólo conocimiento

empírico.

Para evitar que la versión final del simulador tenga nuevamente problemas de fallas

estructurales, se utiliza la metodología de moldeo científico (―Scientific Molding

Approach‖), la cual utiliza ayudas basadas en software CAD-CAE que determinan con

exactitud, mediante el análisis de elemento finito, los principales parámetros de

inyección de la parte plástica durante la simulación. Para utilizar este método, se




68

diseña la parte plástica desgastadora en un software CAD y luego se procesó

mediante el software de análisis de elemento finito CAE, los resultados que se obtienen

del análisis son los principales parámetros que se producen durante el ciclo de

inyección, una lista de los parámetros que se determinan con este método se muestra

a continuación:

Presión de llenado para generar la parte plástica vs tiempo.

Presión en el bebedero durante la inyección vs tiempo.

Tasa de llenado de la cavidad vs tiempo.

Localización de la capa congelada en la pieza inyectada.

Temperaturas máximas del polímero durante la inyección.

Porcentaje de llenado de la cavidad vs tiempo.

Estimación del peso de la pieza moldeada.

Estimación del peso de la cavidad y bebedero.

Los parámetros determinados por el análisis finito de la pieza a inyectar se utilizan para

diseñar la nueva versión de la máquina simuladora, que de aquí en adelante se

denominará ―simulador de inyección versión final‖. En la que, los parámetros de

presiones, tiempos y temperaturas obtenidas mediante el software CAE serán la base

del diseño del simulador.

Se decidió usar para el diseño de la parte plástica desgastadora y la máquina

simuladora el software SolidworksTM (CAD).

Para el análisis de elemento finito CAE de la pieza de plástico desgastadora de

especímenes, se utiliza el software Moldex3DTM ya que puede determinar los

parámetros necesarios para definir el diseño del nuevo simulador; se logró conseguir

una licencia de evaluación de su distribuidor con una duración de dos meses,

suficiente tiempo para completar el análisis. Este software cuenta con un interfase para

poder utilizar directamente en el SolidworksTM las rutinas del software Moldex3D, que

permite la comunicación entre ambos softwares, lo que hizo posible ahorrar tiempo en

el desarrollo del diseño.




69

4.2.1 Selección de software CAE Moldex3DTM para análisis

Se identifica la necesidad de utilizar un software de ingeniería asistida por

computadora (CAE, del inglés Computer Aided Engineering) para obtener los

parámetros de la pieza a inyectar como, presión, temperatura y tiempos de inyección.

Se selecciona para este análisis el software Moldex3DTM; la figura 4-6 muestra su logo

comercial.

Moldex3D es un software CAE para el análisis en la industria de moldeado por

inyección de plástico para simular las aplicaciones de moldeo por inyección, con el

objetivo de optimizar los procesos de diseño del producto y su fabricación. Este

software tiene la capacidad de simulación de moldeado por inyección de plástico en

3D, siendo capaz de simular la tasa de flujo y la temperatura del polímero durante la

inyección, el efecto de inercia o viscosidad, la velocidad, tiempo y fuerzas durante la

inyección, así como en los bebederos y las fuerza necesaria para el cierre de los

moldes, también la simulación completa del proceso térmico, entre otros parámetros

más.

Fig. 4-6 Logo comercial del software MOldex3D.

4.2.2 Propiedades del polímero Noryl GTX 830 (PPS+PE+PA) para simulación

Las principales características del PPE+PS+PA (Noryl GTX 830) que se usan en la

simulación con el software Moldex3D así como las gráficas de sus propiedades térmicas

se presentan en esta sección. Todos los datos mostrados fueron proporcionados por el

fabricante de la resina, Sabic.

La tabla 4-3 contiene las propiedades mecánicas del NORYL.




70

Tabla 4-3 Propiedades mecánicas del NORYL.

Las curvas de las principales características térmicas del polímero NORYL GTX830

necesarias para esta investigación se muestran en la figura 4-7 se puede observar la

conductividad térmica vs. temperatura, la figura 4-8 muestra la gráfica de volumen

específico vs temperatura y la figura 4-9 muestra la curva de viscosidad vs.

temperatura. La figura 4-10 muestra la capacidad térmica vs temperatura del Noryl

GTX 830.

Fig. 4-7 Curva de conductividad térmica vs temperatura de polímero Noryl GTX830.




71

Fig. 4-8 Curva de volumen específico vs temperatura de polímero Noryl GTX830.

Fig. 4-9 Curva de viscosidad vs temperatura de polímero Noryl GTX830.




72

4.2.2.1 Recomendaciones del fabricante al usar el Noryl aleación de PPE+PA+PS

reforzado con 30% fibra de vidrio

Los fabricantes de la resina Noryl dan una serie de recomendaciones comunes para la

utilización óptima del producto.

La primera recomendación se refiere a la purga, que se debe realizar cuando se

termina de inyectar, para remover los sobrantes y limpiar el inyector. Para purgar el

inyector se recomienda usar dos resinas el poliestireno y el triturado de acrílico, ya que

son eficaces para este propósito cuando se usan a la temperatura apropiada.

Otra recomendación es que cuando se re-utiliza material sobrante de inyecciones

anteriores, éste debe de ser triturado y también debe ser secado. Para mantener la

calidad de la resina; no debe de excederse de un máximo de 25% de material triturado

de la mezcla. Para un rendimiento óptimo el secado de la resina debe realizarse a las

siguientes temperaturas:

Secar de 4-8 horas a 95° C, sin exceder de 10 horas.



El secar en exceso puede causar la pérdida de propiedades físicas o generar defectos

en su apariencia.

Fig. 4-10 Capacidad térmica vs temperatura del polímero Noryl GTX830.




73

Los fabricantes indican que se debe evitar la fusión de la resina a temperaturas

superiores a 310 °C, o la inyección por más de 6-8 minutos en el molde cerrado

calentando, ya que puede afectar a las propiedades o apariencia del producto.

Es muy aconsejable tener controles para la temperatura de la boquilla, esto es

indispensable para eliminar el defecto por enfriado prematuro. Los tiros o inyecciones

de tamaños superiores a 50% de la capacidad del barril pueden producir dificultades

para lograr un acabado homogéneo en la superficie del plástico.

La tabla 4-4 muestra los parámetros de operación que da el fabricante para el

proceso de moldeo empleando el Noryl aleación de PPE + PS + PA reforzado con 30%

fibra de vidrio.

Tipo de material Termoplásticos

Nombre genérico PPE+PS+PA

Proveedor SABIC(GE)

Nombre comercial NORYL GTX 830

Porcentaje de fibra 37.0%

Temperatura del Fundido 280~310(oC)

Temperatura del Molde 75~120(oC)

Temperatura de Expulsión 225.0(oC)

Temperatura de Congelación 245.0(oC)

Tiempo de llenado 2.0 (seg)

Temperatura del molde 97.5 (oC)

presión de inyección 250.0 (MPa)

Tiempo de empaquetado 3.0 (seg)

presión de empaquetado 250.0 (MPa)

Interruptor VP por el volumen (%) de llenado 98.0 (%)

Tiempo de apertura del molde 5.0 (seg)

Temperatura de Expulsión 224.8(oC)

Temperatura del aire 25.0 (oC)

Tabla 4-4 Parámetros de operación del Noryl GTX 830.

4.2.3 Diseño en Solidworks (CAD) de pieza plástica a inyectar

Para el diseño de la pieza plástica se seleccionó el software CAD (Computer-Aided

Design), de la firma SolidworksTM versión 12. La figura 4-11 muestra el logotipo comercial

del software. Este programa fue elegido por su versatilidad y disponibilidad ya que

Sensata Technologies cuenta con una licencia corporativa.




74

Fig. 4-11 Logo comercial de software.

Las piezas termo-formadas serán hechas por inyección de resina PPE+PS+PA, se usará

la resina que comercializa SABIC (GE) denominada Noryl GYX 830 para generar el

desgaste en los especímenes de acero con los recubrimientos en evaluación.

La imagen que representa a la pieza física a inyectar obtenida mediante el diseño en

Solidworks se muestra en la figura 4-12, se puede observar la forma final de la pieza

incluyendo su bebedero.

Fig. 4-12 Pieza plástica diseñada para desgaste.

La forma geométrica del bloque se diseñó para facilitar los cálculos y la construcción

de los moldes y especímenes de prueba, el dibujo isométrico con dimensiones de la

parte a inyectar para generar el desgaste en los especímenes de prueba se muestra

en la figura 4-13.

https://www.google.com.mx/imgres?imgurl&imgrefurl=http://howtolearn.me/how-learn-solidworks-free/&h=0&w=0&tbnid=ZoZJszMeLGQxTM&zoom=1&tbnh=175&tbnw=288&docid=RlvsFZcEXu5ipM&tbm=isch&ei=JyX6U9OIFIHcoATWm4GgDw&ved=0CAIQsCUoAA




75

Fig. 4-13 Dimensiones de la pieza a inyectar en Resina PPE+PS+PA.

4.2.4 Resultados obtenidos de la simulación CAE de la pieza inyectada

Para obtener los resultados de la simulación fue necesario realizar varios análisis con el

software Moldex3D con diferentes diseños de la pieza a inyectar hasta obtener el

modelo de pieza desgastante final, cada simulación tomaba alrededor de 6 horas de

procesamiento. La geometría del bloque de 25.4mm de longitud es la que más se

acomoda para la fabricación la cual presenta las presiones internas y temperaturas

que experimenta una parte típica de inyección del polímero PPS+PS+PA en las

máquinas de inyección industrial, actualmente en uso por Sensata Technologies.

4.2.4.1 Presión de llenado en la cavidad

La distribución de la presión de llenado de la cavidad se muestra en la figura 4-14. Las

diferentes presiones que se presentan dentro de la pieza de plástico durante el proceso

de inyección, se representan con diferentes colores en la figura, donde el color azul

representa la mínima presión en la pieza y el rojo representa la máxima presión. En base

a la caída y distribución de las presiones es posible observar la pieza y verificar cual

será el diseño del molde antes de construirlo. Desde la distribución de la presión se

puede verificar cómo se propaga la fuerza sobre lo que será la superficie de la

cavidad de la pieza, también se puede observar la caída de presión en el sistema de

canales de alimentación o bebedero, así como el flujo del polímero y la presión

máxima para evitar el sobre-empaquetado, también es posible examinar el alcance

de la presión de empaquetado y la fuerza de sostenimiento de cierre del molde.




76

Fig. 4-14 Resultado de la presión de llenado en la pieza plástica.

En la figura se puede observar que la presión máxima en la superficie del molde será

de 12.001 MPa (mega pascales).

4.2.4.2 Presión en el bebedero vs tiempo

La presión en el bebedero de acuerdo al análisis de simulación con Moldex3D en la

figura 4-15 muestra que se van a requerir 12.2 MPa (mega pascales) para lograr la

inyección completa.

Fig. 4-15 Resultado de la presión del bebedero durante la inyección.




77

4.2.4.3 Tasa de flujo al entrar a la cavidad vs tiempo

La velocidad de llenado (Ver figura 4-16) se puede medir por la tasa de flujo del

polímero durante la inyección. Inició en 0.66 cc/seg. y se redujo a cero al alcanzar el

llenado total, de 0 a 0.33 segundos que es el recorrido por el bebedero.

Fig. 4-16 Resultado tasa de llenado de la cavidad.

4.2.4.4 Relación de capa congelada al entrar el polímero en la cavidad

La relación de capa congelada al entrar el polímero en la cavidad es la relación de

solidificación causada por los resultados del enfriamiento durante el flujo del polímero

fundido cerca de la superficie de la cavidad. La figura 4-17 muestra el resultado

obtenido en la simulación de la capa congelada. Con el incremento del tiempo la

relación de congelamiento aumenta; el incremento de la relación no sólo reduce la

sección transversal a lo largo de ruta del flujo, también incrementa la resistencia al flujo

y la presión del bebedero. Además, el esfuerzo residual y la orientación del flujo

inducido serán afectados. En esta simulación fue posible determinar que no se

presentará ningún problema en el llenado de la figura geométrica de la pieza

seleccionada.




78

Fig. 4-17 Resultado de simulación de la relación de capa congelada.

4.2.4.5 Temperatura máxima de la parte inyectada

La figura 4-18 muestra la temperatura máxima dentro de la pieza durante el proceso

de inyección. El polímero alcanzará 295.303 grados centígrados y al final de la

inyección estará a una temperatura de 255 grados.

Fig. 4-18 Resultado de simulación de la Temperatura máxima.

4.2.4.6 Fuerza de cierre para el molde vs tiempo

La figura 4-19 muestra el resultado de la simulación de fuerza de cierre, este es un

parámetro muy importante para determinar la fuerza que debe soportar el sistema de

cierre del simulador de inyección para el molde. En este caso, para el diseño

seleccionado se deben soportar al menos 60 kilogramos-fuerza, esa será la fuerza que

deberá usarse para el diseño del sistema. (0.06 toneladas).




79

Fig. 4-19 Resultado de simulación de la fuerza de cierre del molde en Moldex3D.

4.2.4.7 Porcentaje de llenado volumétrico de la cavidad vs tiempo

La figura 4-20 muestra el porcentaje de llenado del molde con respecto al tiempo. La

simulación nos indica que el llenado se puede completar en alrededor de 2 segundos.

Fig. 4-20 Resultado de simulación de tasa de llenado fracción volumétrica.

4.2.4.8 Peso total de la pieza vs tiempo

La figura 4-21 muestra el peso de la pieza vs tiempo, este dato es necesario para

determinar la cantidad inicial de resina que se requiere para realizar la

experimentación. El estudio muestra que por cada inyección de una pieza el peso total




80

incluyendo el bebedero, la compuerta y el canal, es de 1.52 gramos, eso significa que

para una simulación de 1000 ciclos se requiere de 1.52 kilogramos de material.

Fig. 4-21 Resultado de simulación del peso total de la pieza moldeada.

.

4.2.4.9 Llenado peso de la cavidad vs tiempo

La pieza moldeada pesará 1.4 gramos después de remover el bebedero. El ciclo

muestra que después de 0.333 segundos se empezará a llenar la cavidad del molde

con el polímero, justo cuando el material fundido termine de recorrer el bebedero, y se

irá llenando hasta el máximo de 1.2 gramos. La figura 4-22 muestra el resultado de la

simulación donde se puede ver el llenado de la cavidad con respecto al tiempo. En

este caso el simulador solo tendrá una cavidad.

Fig. 4-22 Resultado de simulación del peso al llenar la cavidad.




81

4.3 DISEÑO DEL MOLDE PARA PROBAR ESPECÍMENES Para el proyecto, fue necesario diseñar y construir un molde de pruebas que sea capaz

de contener dentro de sus cavidades a los especímenes o insertos con los

recubrimientos de prueba; se evaluaron varios conceptos y se seleccionó un diseño

básico con solo una cavidad. En la figura 4-23 se muestran las dos partes que

componen al molde de aluminio que contendrá en sus cuatro espacios (dos por lado)

a los especímenes. Frente al molde se puede observar un espécimen.

Fig. 4-23 Molde de aluminio y espécimen.

La figura 4-24 muestra un esquema generado en Solidworks en el que se muestra un

corte transversal del molde cerrado en el que se puede apreciar la ubicación de los

especímenes y la cavidad que forman entre ellos, que es el espacio donde se

inyectará la resina Noryl para formar la pieza de plástico que producirá un desgaste en

cada una de las superficies de los cuatro especímenes.

Fig. 4-24 Corte transversal del molde.




82

El molde porta especímenes tiene un sistema de ejecutores para una expulsión

automática de las piezas termo-formadas. Los eyectores se encuentran montados en

una placa en la parte trasera del molde móvil, cuando esta parte del molde se abre,

unas barras de botado accionan el mecanismo de expulsión.

4.4 PROPUESTA DE MEDICIÓN DE DESGASTE EN ESPECÍMENES POR

COMPARACIÓN DE TOPOGRAFÍAS SUPERFICIALES La medición de volumen de desgaste que se propone para cada espécimen requiere

ser determinada con precisión, para esto se utilizará un profilómetro láser propiedad de

Sensata Technologies de México. Para lograr determinar el volumen perdido, se

compara una medición de la superficie del espécimen antes de la prueba con otra

medición al finalizar la simulación; la diferencia entre las dos mediciones es el volumen

perdido.

4.4.1 Equipo para medición de desgaste de los especímenes

Para medir el desgaste de los especímenes se usará el CyberScan® Vantage™

desarrollado y distribuido por la firma Cyber Technologies GmbH.

El Sistema CyberScan ® Vantage ™ modelo DRS-500es un equipo de medición de

alturas que no requiere hacer contacto con la superficie a medir. Utiliza un sensor láser

y un sistema de desplazamiento en los ejes ―x‖ y ―y‖. Combina la tecnología láser con

el control de coordenadas por computadora de los ejes ―x‖ y ―y‖ para producir

patrones tridimensionales de las superficies. La figura 4-25 muestra una fotografía del

profilómetro láser que se propone utilizar para realizar las comparaciones topográficas

de las superficies de los especímenes.

Fig. 4-25 Esquema de profilómetro láser.




83

4.4.2 Método para medición de desgaste en los especímenes

El método para medir el desgaste en la superficie de los especímenes se basa en crear

dos planos generados por el profilómetro, uno antes y el otro después de la simulación

de desgaste; la resta aritmética punto por punto entre los dos planos genera una matriz

de resultados, la sumatoria de todos los elementos de la matriz representa el volumen

total perdido durante la experimentación del espécimen.

Los especímenes serán medidos en la superficie que tiene el recubrimiento a evaluar.

Esta superficie se muestra con las flechas azules en la figura 4-26.

Fig. 4-26 Superficie a medir.

Para iniciar la medición de desgaste de la superficie del primer plano se ajusta el

profilómetro láser para hacer un barrido sobre el espécimen antes de ser expuesto a la

simulación de 186 micrones X 66, esto permite obtener 12,276 puntos de medición en la

superficie, que serán el punto cero o referencia. Estas mediciones obtenidas con el

profilómetro son exportadas a un archivo de Excel para su posterior procesamiento; la

imagen 4-27 muestra el resultado de la primera medición de la superficie con

recubrimiento del espécimen, a este resultado le denominaremos plano de referencia

cero.




84

Fig. 4-27 Imagen 3D del plano de referencia cero.

La siguiente fase de la medición de desgaste, consiste en obtener un nuevo barrido de

la superficie con el profilómetro del espécimen después de la simulación de inyección

del polímero. Se espera que este nuevo barrido sea ligeramente diferente al inicial,

esas pequeñas diferencias o deltas de distancia son el desgaste o pérdida de material.

Al segundo barrido láser del profilómetro se le denomina, plano de resultados. La figura

4-28 muestra la imagen 3D del plano de resultados del espécimen.

Fig. 4-28 Imagen 3D de superficie del plano de resultados.

Finalmente, para terminar la medición del desgaste de la superficie con recubrimiento

del espécimen, se realiza una serie de restas punto por punto entre el plano de

referencia cero y el plano de resultados. Con la matriz resultante de la serie de restas

se genera una gráfica tridimensional a la que denominaremos delta Z (∆z), la figura 4-

29 muestra la representación en tercera dimensión de la matriz resultante.




85

Fig. 4-29 Imagen 3D de la superficie desgastada ∆z.

Para calcular el volumen perdido durante la simulación de desgaste, se usará la

aproximación de distancia x área. La distancia es la diferencia entre cada punto de

medición y el área es el paso de escaneo en el eje X y eje Y, en este caso es de 10µm

en eje X y 22µm en el eje Y, el área por cada punto de medición es el producto de

ambos y se puede expresar como:

𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏𝑷𝒆𝒓𝒅𝒊𝒅𝒐 = ∆𝐳 𝐚𝐫𝐞𝐚 𝐦𝐞𝐝𝐢𝐜𝐢ó𝐧

𝑴𝒂𝒙𝒑𝒖𝒏𝒕𝒐𝒔𝒆𝒔𝒄𝒂𝒏𝒆𝒐

𝒏=𝟏

Donde el área medición es:

𝒂𝒓𝒆𝒂𝒎𝒆𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 = 𝒑𝒂𝒔𝒐𝒆𝒔𝒄𝒂𝒏𝒆𝒐𝑿 𝑷𝒂𝒔𝒐𝒆𝒔𝒄𝒂𝒏𝒆𝒐𝒀 = 𝟏𝟎𝝁𝒎 𝟐𝟐 𝝁𝒎 = 𝟐𝟐𝟎 𝝁𝒎𝟐

En este caso, convirtiendo a milímetros cúbicos.

𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏𝑷𝒆𝒓𝒅𝒊𝒅𝒐 = 𝟏𝟕𝟖𝟖𝟏𝟕𝟐.𝟗𝟖µ𝐦³ = 𝟎.𝟎𝟎𝟏𝟕𝟖𝟖𝟏𝟕𝟑𝐦𝐦³

Este resultado será el volumen perdido por el inserto durante las simulaciones.

El mismo proceso se va a repetir en cada espécimen de prueba antes y después de la

simulación para obtener el volumen perdido y tener una imagen de la huella generada

por el desgaste en la gráfica de ∆z.




86

4.5 CONSTRUCCIÓN DE ESPECÍMENES DE PRUEBA La construcción de los especímenes de prueba se realiza en dos etapas, primero se

diseñan los insertos y posteriormente se localiza un proveedor externo a Sensata

Technologies para su fabricación.

4.5.1 Diseño de especímenes de prueba para desgaste

Para este proyecto fue necesario diseñar y fabricar los especímenes de prueba con los

diferentes tipos de recubrimientos. La figura 4-33 muestra el diseño básico de estos

insertos. El espécimen tiene por dimensiones 25.4 milímetros (mm) de longitud, por 6.35

mm de alto por 6.35 mm de ancho, este espécimen fue denominado durante el

desarrollo con el proveedor ―block de pruebas‖. Cada espécimen tiene un diferente

recubrimiento de prueba.

Fig. 4-30 Diseño de espécimen y sus dimensiones.

El material que servirá como sustrato base para los recubrimientos, fue seleccionado de

los aceros D2 en 48-50 Rc.

4.5.2 Fabricación de especímenes de prueba con proveedor

Para la fabricación de especímenes se localizaron diferentes proveedores que cuentan

con el equipo necesario para aplicar los recubrimientos en los especímenes de prueba.

Se eligió el proveedor M.T.P. Associates Inc., localizado en East Sandwich, MA. Se

solicita al proveedor usar el sistema de PVD Sputtering en la aplicación de los

recubrimientos. No se opta por trabajar con varios proveedores para reducir el tiempo




87

y complejidad de la experimentación, ya que, la variación entre proveedores puede

generar un nuevo proyecto por sí mismo. La figura 4-31 muestra el logotipo de la

compañía seleccionada para ser el proveedor de especímenes.

Fig. 4-31 Logo de M.T.P. Associates Inc.

Durante el desarrollo del proyecto, el proveedor M.T.P. se coordinará con diferentes

laboratorios que cuentan con los equipos de deposición en fase a vapor asistido con

magnetrón (PVD Sputtering), para la aplicación de los recubrimientos

Para la primera fase de la investigación se recomienda fabricar dos juegos de

especímenes de prueba, el primero es acero D2 con recubrimiento nitruro de titanio

(TiN), y el segundo de acero D2 con recubrimiento de carbono como diamante (DLC).

En la figura 4-33 se muestra una fotografía de los primeros insertos fabricados para la

prueba, son un par de especímenes de acero D2 con el recubrimiento carbono como

diamante (DLC).

Fig. 4-32 Primeros especímenes de prueba fabricados.

4.6 PARA PROBAR ECUACION-HIPOTESIS CON LOS RESULTADOS DE

ESPECÍMENES TIN Y DLC Se realizará la investigación para la demostración de la ecuación-hipótesis propuesta

usando los dos grupos de especímenes seleccionados, el grupo de acero D2 con

recubrimiento de nitruro de titanio (TiN) y el grupo con acero D2 usando el

recubrimiento carbono como diamante (DLC).




88

4.6.1 Perfil de referencia de cada espécimen para la medición

Se iniciará la midiendo con el profilómetro láser la topografía superficial de los dos

grupos de especímenes para obtener el plano de referencia cero de medición.

4.6.2 Aplicando ciclos de desgaste a especímenes por medio del simulador de

inyección

La experimentación de desgaste requerirá aplicar 1000 ciclos de prueba en el

simulador de desgaste usando la resina Noryl GTX 830, el número de ciclos fue

determinado en la sección 4.1.4. Una vez terminada la prueba, es decir, las 1000

inyecciones de Noryl en el molde, se medirán nuevamente los especímenes en el

profilómetro láser y se registrarán los resultados en un formato como el que se muestra

en la tabla 4-5.

Espécimen

#

Recubrimiento

Acero

Desgaste

Medido µm³

(x10-6 m)

Desgaste

Medido

(gramos)

1 TiN D2

2 TiN D2

3 TiN D2

4 TiN D2

5 DLC D2

6 DLC D2

7 DLC D2

8 DLC D2

Tabla 4-5 Formato para registro de las mediciones de desgaste.

4.6.3 Estimación de desgaste usando la ecuación-hipótesis

Utilizando la ecuación-hipótesis se estima el desgaste que tendrán los especímenes de

prueba con recubrimiento de nitruro de titanio (TiN) y también con los de recubrimiento

de carbono como diamante (DLC).

Para obtener la estimación del desgaste de los especímenes de prueba, se requiere

conocer el coeficiente de fricción de cada uno de ellos. El recubrimiento de nitruro de

titanio tiene un coeficiente de fricción en seco de 0.4 y el carbono como diamante de

entre 0.1 a 0.2; la tabla 4-6 muestra los parámetros más importantes de los materiales

de recubrimiento de los especímenes, estos datos han sido proporcionados por el




89

fabricante, excepto el potencial electrostático, el cual fue obtenido mediante

simulación, los detalles se encuentran en la sección 3.3.2, en la tabla 3-2.

#

Espécimen

Tipo de

Recubrimiento

Tipo de

Acero

Dureza

acero

esperado

(Rc)

Micro dureza

del

recubrimiento

(HV0.05)

Coeficiente

de fricción

recubrimiento

en acero

(seco)

Potencial

electrostático

recubrimiento

(eV)

1-4 TiN D2 58 ~ 60 2300 0.4 3.776 ~ 0.188

5-8 DLC (a-C:H) D2 58 ~ 60 2000 0.1~ 0.2 0.131 ~ 0.181

Tabla 4-6 Parámetros de especímenes para aplicar ecuación-hipótesis.

Calculando el desgaste teórico:

Usando la ecuación hipótesis 𝑫𝒎𝒔 se calculan los desgaste teóricos en gramos al

aplicar 1,000 gramos de flujo de material de desgaste.

𝑫𝒎𝒔 = −𝟎.𝟎𝟐𝟓𝟒𝟕 + 𝟎.𝟒𝟖𝟕𝟑 ∗ 𝑪𝒇 𝒆𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝑫𝟏

Donde:

𝑫𝒎𝒔 = Desgaste de la superficie en gramos por cada 1,612 cm2 de polímero

PPS+PS+PA erosionando la superficie.

𝑪𝒇 = Coeficiente de fricción del recubrimiento en acero (seco).

Sustituyendo:

𝑫𝒆𝒔𝒈𝒂𝒔𝒕𝒆 (𝑻𝒊𝑵)𝒎𝒔 = −𝟎.𝟎𝟐𝟓𝟒𝟕 + 𝟎.𝟒𝟖𝟕𝟑 ∗ 𝟎.𝟒

= 0.16945 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝒆𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝑫𝟐

𝑫𝒆𝒔𝒈𝒂𝒔𝒕𝒆 (𝑫𝑳𝑪)𝒎𝒔 = −𝟎.𝟎𝟐𝟓𝟒𝟕 + 𝟎.𝟒𝟖𝟕𝟑 ∗ 𝟎.𝟏𝟓

= 0.047625 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝒆𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝑫𝟑

La tabla muestra los resultados de la ecuación-hipótesis de desgaste de los

recubrimientos TiN y DLC.

Recubrimiento Predicción de desgaste

𝑫𝒆𝒔𝒈𝒂𝒔𝒕𝒆 (𝑻𝒊𝑵)𝒎𝒔 0.169450 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠

𝑫𝒆𝒔𝒈𝒂𝒔𝒕𝒆 (𝑫𝑳𝑪)𝒎𝒔 0.047625 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠

Tabla 4-7 Parámetros de especímenes para aplicar ecuación-hipótesis.




90

4.6.4 Descripción de método para comprobar la ecuación-hipótesis

Para probar la ecuación-hipótesis se utiliza la prueba t-student para muestra única;

esta técnica estadística se utiliza para evaluar la hipótesis nula, si la hipótesis nula es

aceptada, significa que la ecuación-hipótesis fue capaz de pronosticar el desgaste al

aplicar el coeficiente de fricción del recubrimiento. En el caso de que la hipótesis nula

sea rechazada, significaría que la ecuación-hipótesis no puede pronosticar los

desgastes de los recubrimientos. La hipótesis nula se refiere a que la media de las

mediciones de desgaste de los especímenes de prueba es igual al pronóstico de la

ecuación-hipótesis.

Se usa la prueba t-student para muestra única para rechazar o aceptar la hipótesis de

que la predicción de desgaste obtenida por la ecuación-hipótesis genera un resultado

tal que, está dentro del intervalo de confianza del 95% de la media medida en la

experimentación cuando se expone individualmente a los 4 especímenes a un

desgaste 1,612 cm2 de polímero PPS+PS+PA erosionando la superficie.

Esto se expresa como:

H0 = Hipótesis nula = La predicción de desgaste de la ecuación-hipótesis es igual

a la media de las mediciones de desgaste en los especímenes que fueron

expuestos a un desgaste de 1,612 cm2 de polímero PPS+PS+PA erosionando la

superficie.

HA= Hipótesis Alternativa = La predicción no está dentro de la media de las

mediciones de desgaste en los especímenes un desgaste de 1,612 cm2 de

polímero PPS+PS+PA erosionando la superficie.

Para la verificación de la ecuación-hipótesis para cada una de las dos muestras, la de

y nitruro de titanio y la de diamante como carbón, se le asignará un subíndice, 1 y 2

respectivamente a las ecuaciones hipótesis, quedando H01 para el espécimen con

recubrimiento TiN y H02 para el espécimen con recubrimiento de DLC, y HA1 y HA2 como

sus respectivas hipótesis alternativas.

La comprobación de la ecuación-hipótesis se logra cuando H01 y H02 (hipótesis nulas)

no son rechazadas por la prueba estadística t-student para una sola muestra, es decir,

que las medias de las mediciones de desgaste de cada espécimen sean iguales a las




91

predicciones de la ecuación-hipótesis. Se utiliza el software Minitab para realizar el

análisis y obtener las graficas de resultados.

4.6.5 Prueba t-student para espécimen con recubrimiento TiN (hipótesis H01)

La prueba t-student para el espécimen con recubrimiento de nitruro de titanio (TiN),

requiere varios experimentos para calcular la media estadística. Para la prueba se

realizará una simulación de desgaste que erosionará simultáneamente a cuatro

especímenes con recubrimiento de nitruro de titanio. Los especímenes deben ser

construidos con iguales condiciones de fabricación, usando el mismo acero D2 como

sustrato y nitruro de titanio como recubrimiento aplicado a todos los especímenes

simultáneamente en la máquina PVD del proveedor.

Los cuatro especímenes son probados al mismo tiempo mediante 1000 ciclos de

inyección del simulador que equivalen a exponer a los especímenes a un desgaste de

1 kilogramo de PPE+PS+PA que es igual a 1,612 cm2 de erosión en la superficie de

pruebas.

En la figura 4-33 se muestra el resultado gráfico de la prueba estadística ―t-student para

una sola muestra‖ usando los datos de una de las investigaciones previas de los

doctores T. Grogler y E. Zeiler (17) utilizando la resina Lexan 341R-739, que es un

PPE+PS+PA muy parecido en características mecánicas, térmicas y en el contenido de

fibra de vidrio que el polímero Noryl GTX830. Se puede observar el punto H0 que

representa a la hipótesis nula H01 en color rojo. La línea azul en la gráfica, representa al

intervalo en donde se puede encontrar la media de las mediciones de desgaste con

un 95% de confianza. En la misma gráfica los 4 puntos rojos que están sobre la línea de

intervalo representan las mediciones de desgaste individuales de las 4 pruebas de

desgaste que se realizaron. Puede interpretarse que el resultado de la predicción de la

ecuación-hipótesis para las mediciones del experimento previo de de nitruro de titanio

está dentro del intervalo de confianza, lo que significa que la media de las mediciones

de desgaste son iguales a la predicción generada por la ecuación-hipótesis.

La conclusión de la prueba estadística t-student es que no se puede rechazar la

hipótesis nula. Por lo tanto confirma que la ecuación-hipótesis fue capaz de predecir el

desgaste esperado en las 4 mediciones de nitruro de titanio.




92

Fig. 4-33 Resultado de prueba t-student para hipótesis H01.

4.6.6 Prueba t-student para espécimen con recubrimiento DLC (hipótesis H02)

En la figura 4-34 se muestra el resultado gráfico de la prueba estadística ―t-student para

una sola muestra‖ usando los datos de una de las investigaciones previas de los

doctores T. Grogler y E. Zeiler (17) utilizando la resina Lexan 341R-739, que es un

PPE+PS+PA muy parecido en características mecánicas, térmicas y en el contenido de

fibra de vidrio que el polímero Noryl GTX830. La prueba ―t-student para una sola

muestra‖ para las mediciones de las investigación previa con recubrimiento de

carbono como diamante (DLC) se realiza exactamente igual que en el caso del

recubrimiento de nitruro de titanio (TiN) (hipótesis H01), esta prueba estadística se

denomina hipótesis H02 .

En figura 4-38 muestra el resultado gráfico de la prueba estadística ―t-student para una

sola muestra‖, para la hipótesis H02, la interpretación es igual que la prueba de la

hipótesis H01.

La conclusión de la prueba estadística t-student es que no se puede rechazar la

hipótesis nula. Por lo tanto confirma que la ecuación-hipótesis fue capaz de predecir el

desgaste esperado en las 4 mediciones de diamante como carbón.

TiN

0.200.190.180.170.160.150.14

X_

Ho

Gráfica prueba de hipótesis de valor individual para TiN-D2(con punto Ho=H01 de ecuación-hipótesis vs.intervalo 95% confianza T media experimental)




93

Fig. 4-34 Resultado de prueba t-student para hipótesis H02.

Entonces se aceptan las hipótesis H01 y H02 , esto se puede expresar como:

H01 = Hipótesis nula 1 = Punto H01 = µDesgaste mediciones de nitruro de titanio (TiN)

H02 = Hipótesis nula 2 = Punto H02 = µDesgaste mediciones de carbono como diamante (DLC)

Se concluye que ambas predicciones de la ecuación-hipótesis 𝑫𝒎𝒔 = −𝟎.𝟎𝟐𝟓𝟒𝟕 +

𝟎.𝟒𝟖𝟕𝟑 ∗ 𝑪𝒇 son acertadas y que estas conclusiones son correctas con una seguridad

del 95% conforme a la prueba estadística ―t-student de una sola muestra‖ tomando los

datos de coeficiente de fricción de la investigación previa de los doctores T. Grogler y

E. Zeiler (17) utilizando la resina Lexan 341R-739.

5. CONCLUSIÓN DE LA INVESTIGACIÓN La conclusión de la investigación es que la ecuación-hipótesis logró predecir con una

confianza del 95% el desgaste de las mediciones tomadas como referencia de los

estudios previos con recubrimiento de nitruro de titanio, así como el desgaste medido

con recubrimiento de carbono como diamante (DLC) al ser expuestos a una erosión

generada por 1,612 cm2 del polímero muy similar al Noryl GTX830. Lo que confirma la

hipótesis de que, el coeficiente de fricción es el factor más significativo que afecta el

desgaste de los aceros al ser erosionados por el polímero PPE+PS+PA.

DLC

0.080.070.060.050.040.030.020.010.00

X_

Ho

Gráfica prueba de hipótesis de valor individual para DLC-D2(con punto Ho=H02 de ecuación-hipótesis vs.intervalo 95% confianza T media experimental)




94

La ecuación-hipótesis solo está confirmada para los recubrimientos de nitruro de titanio

y de diamante como carbón. Para conocer si el desgaste de otros tipos de

recubrimientos puede ser pronosticado usando el mismo modelo matemático

propuesto, es necesario verificarlos en etapas posteriores de experimentación (que

queda fuera del alcance de esta investigación) usando el mismo método propuesto.

También se concluye que no existe una correlación entre el desgaste de la superficie

de los especímenes, y la dureza del recubrimiento, sino con el coeficiente de fricción y

por ende, el potencial electrostático molecular (al menos en los recubrimientos de

nitruro de titanio o de diamante como carbón). Esta conclusión es interesante, ya que

es contraria a la creencia popular en el mundo del moldeo, donde usualmente se

maneja que, el factor más importante para la duración de la vida útil de un molde de

inyección de plástico, es la dureza de la superficie del molde, esta idea no es correcta

cuando se utilizan polímetros PPE+PS+PA.

Se identifica la técnica PVD sputtering como la más adecuada para aplicar los

recubrimientos en los moldes de inyección de plástico debido a que no afecta a la

dureza de los aceros que componen el molde, al ser aplicados a una temperatura

cercana a los 121°C, esta característica de la temperatura de aplicación de los

recubrimientos permite su implementación industrial en los moldes de Sensata

Technologies y en general de cualquier molde que vaya a utilizar la resina PPE+PS+PA.

Los recubrimientos que tienen el menor coeficiente de fricción que se pueden aplicar a

los moldes de inyección son los basados en carbono como diamante (DLC), por esto

son la mejor opción de recubrimientos para incrementar la vida útil de los moldes

cuando usan el polímero PPE+PS+PA.




95

6. RECOMENDACIONES PARA IMPLEMENTACION DE LA

INVESTIGACIÓN EN SENSATA TECHNOLOGIES

Para la aplicación industrial es necesario desarrollar un plan de implementación

práctica, primero se requiere realizar la experimentación de desgaste (con la inversión

necesaria) para completar la variedad de recubrimientos propuesta en la tabla 6-1.

Una vez confirmados los recubrimientos que tendrán el mejor desempeño para

extender el tiempo de vida útil de los moldes de inyección para resina PPE+PS+PA

(Noryl GTX830), se sugiere seleccionar algunos moldes para aplicarles los recubrimientos

recomendados y probarlos en campo.

Se recomienda monitorear durante un periodo extenso la durabilidad y desgaste de los

materiales del molde, para dicho fin, se propone colocar en los moldes insertos testigos

para medir el desgaste, las piezas testigo deberán ser desmontables para medir el

desgaste superficial en ellos con el profilómetro láser en periodos definidos de tiempo

para obtener datos preciso del desgaste.

6.1 SUMARIO CARACTERÍSTICAS ESPECÍMENES DE PRUEBA Para poder determinar los recubrimientos para cada parte del molde en contacto con

el polímero PPS+PS+PA se propone usar la tabla 6-1 y verificar experimentalmente los

valores del coeficiente de fricción y validar que en todos los casos la ecuación-

hipótesis sea válida. Una característica importante es que, solo se usará una capa de

recubrimiento donde los espesores de la capa delgada que se deposite debe estar

entre 0.5 µm y 4µm.

#

Espé

cime

n

Tipo de

Recubrimiento

Tipo

de

Acero

Dureza acero

esperado de

tratamiento

térmico (Rc)

Micro dureza

del

recubrimiento

(HV0.05)

Coeficiente de

fricción

recubrimiento

en acero

(seco)

Potencial

electrostático

recubrimiento

(eV)

1 TiN A2 55 ~ 58 2300 0.4 3.776 ~ 0.188

2 TiN S7 55 ~ 58 2300 0.4 3.776 ~ 0.188

3 TiN 4140 20 ~ 25 2300 0.4 3.776 ~ 0.188

4 TiN H13 49 ~ 51 2300 0.4 3.776 ~ 0.188

5 TiN 4130 26 ~ 35 2300 0.4 3.776 ~ 0.188

6 TiN D2 58 ~ 60 2300 0.4 3.776 ~ 0.188

7 ZrN A2 55 ~ 58 2394* 0.194 ~ 0.710

8 ZrN S7 55 ~ 58 2394* 0.194 ~ 0.710




96

9 ZrN 4140 20 ~ 25 2394* 0.194 ~ 0.710 10 ZrN H13 49 ~ 51 2394* 0.194 ~ 0.710 11 ZrN 4130 26 ~ 35 2394* 0.194 ~ 0.710 12 ZrN D2 58 ~ 60 2394* 0.194 ~ 0.710 13 CrN A2 55 ~ 58 1750 0.5

14 CrN S7 55 ~ 58 1750 0.5

15 CrN 4140 20 ~ 25 1750 0.5

16 CrN H13 49 ~ 51 1750 0.5

17 CrN 4130 26 ~ 35 1750 0.5

18 CrN D2 58 ~ 60 1750 0.5

19 DLC (a-C:H) A2 55 ~ 58 2000 0.1~ 0.2 0.131 ~ 0.181

20 DLC (a-C:H) S7 55 ~ 58 2000 0.1~ 0.2 0.131 ~ 0.181

21 DLC (a-C:H) 4140 20 ~ 25 2000 0.1~ 0.2 0.131 ~ 0.181

22 DLC (a-C:H) H13 49 ~ 51 2000 0.1~ 0.2 0.131 ~ 0.181

23 DLC (a-C:H) 4130 26 ~ 35 2000 0.1~ 0.2 0.131 ~ 0.181

24 DLC (a-C:H) D2 58 ~ 60 2000 0.1~ 0.2 0.131 ~ 0.181

25 TiALN A2 55 ~ 58 3400 0.25 1.195 ~ 0.213

26 TiALN S7 55 ~ 58 3400 0.25 1.195 ~ 0.213

27 TiALN 4140 20 ~ 25 3400 0.25 1.195 ~ 0.213

28 TiALN H13 49 ~ 51 3400 0.25 1.195 ~ 0.213

29 TiALN 4130 26 ~ 35 3400 0.25 1.195 ~ 0.213

30 TiALN D2 58 ~ 60 3400 0.25 1.195 ~ 0.213

31 TiALN+TiALN A2 55 ~ 58 3400 0.25 1.195 ~ 0.213 32 TiALN+TiALN S7 55 ~ 58 3400 0.25 1.195 ~ 0.213 33 TiALN+TiALN 4140 20 ~ 25 3400 0.25 1.195 ~ 0.213 34 TiALN+TiALN H13 49 ~ 51 3400 0.25 1.195 ~ 0.213 35 TiALN+TiALN 4130 26 ~ 35 3400 0.25 1.195 ~ 0.213 36 TiALN+TiALN D2 58 ~ 60 3400 0.25 1.195 ~ 0.213 37 TiCN A2 55 ~ 58 3000 0.4 1.596 ~ 0.091

38 TiCN S7 55 ~ 58 3000 0.4 1.596 ~ 0.091

39 TiCN 4140 20 ~ 25 3000 0.4 1.596 ~ 0.091

40 TiCN H13 49 ~ 51 3000 0.4 1.596 ~ 0.091

41 TiCN 4130 26 ~ 35 3000 0.4 1.596 ~ 0.091

42 TiCN D2 58 ~ 60 3000 0.4 1.596 ~ 0.091

43 WCC +a-c:H A2 55 ~ 58 1500 0.1~ 0.2

44 WCC +a-c:H S7 55 ~ 58 1500 0.1~ 0.2

45 WCC +a-c:H 4140PH 20 ~ 25 1500 0.1~ 0.2

46 WCC +a-c:H H13 49 ~ 51 1500 0.1~ 0.2

47 WCC +a-c:H 4130 26 ~ 35 1500 0.1~ 0.2

48 WCC +a-c:H D2 58 ~ 60 1500 0.1~ 0.2

49 Sin

recubrimiento

A2 55 ~ 58

50 Sin

recubrimiento S7 55 ~ 58

51 Sin

recubrimiento 4140PH 20 ~ 25

52 Sin

recubrimiento H13 49 ~ 51

53 Sin

recubrimiento 4130 26 ~ 35

54 Sin

recubrimiento D2 58 ~ 60

Tabla 5-1 Características de los especímenes de prueba.




97

*HK0.025

6.2 DIBUJO DEL DISEÑO FINAL DE LOS ESPECÍMENES PARA

CONSTRUCCIÓN El diseño final para la construcción del espécimen se muestra en la figura 6-1, es el

dibujo utilizado por el proveedor de los recubrimientos que se usaron en la primera

etapa de experimentación, en él se especifican dimensiones, tolerancias dimensionales

y las durezas a conseguir con los tratamientos térmicos de cada grupo. Para la

investigación solo se fabricaron dos tipos de recubrimientos. Se utilizará este diseño

para construir todos los grupos de evaluación y así completar toda la experimentación

propuesta para la implementación final en Sensata Technologies.

Fig. 5-1 Dibujo generado por el proveedor de recubrimientos para especímenes.

6.3 IDENTIFICACIÓN DE ESPECÍMENES PARA EXPERIMENTACIÓN Para la identificación de los especímenes y evitar el riesgo de que se mezclen, se

solicitará al proveedor de los recubrimientos, identificar con marcado laser cada

grupo de aceros y cada tipo de recubrimiento. Para poder construir y manipular los

especímenes es necesario definir una identificación para cada uno de los diferentes




98

grupos. Las tablas 6-2 muestran los detalles de identificación y nombres dados a cada

uno de los grupos de especímenes que se usarán para la segunda fase de

experimentación.

Identificación GRUPO1 - TBL1901-1-A2 TOTAL: 40 piezas

Recubrimiento Cantidad Grabado láser

TiN 5 A2 TiN

ZrN 5 A2 ZrN

CrN 5 A2 CrN

DLC 5 A2 DLC

TiALN 5 A2 TiALN

TiALN + TiALN 5 A2 TiALN + TiALN

TiCN 5 A2 TiCN

DDT 5 A2 DDT

Identificación GRUPO 2 - TBL1901-2-S7 TOTAL: 40 piezas


TiN 5 S7 TiN

ZrN 5 S7 ZrN

CrN 5 S7 CrN

DLC 5 S7 DLC

TiALN 5 S7 TiALN

TiALN + TiALN 5 S7 TiALN + TiALN

TiCN 5 S7 TiCN

DDT 5 S7 DDT

Identificación GRUPO 3 - TBL1901-3-4140 TOTAL: 40 piezas


TiN 5 4140 TiN

ZrN 5 4140 ZrN

CrN 5 4140 CrN

DLC 5 4140 DLC

TiALN 5 4140 TiALN

TiALN + TiALN 5 4140 TiALN + TiALN

TiCN 5 4140 TiCN

DDT 5 4140 DDT

Identificación GRUPO 4 - TBL1901-4-H13 TOTAL: 40 piezas


TiN 5 H13 TiN

ZrN 5 H13 ZrN




99

CrN 5 H13 CrN

DLC 5 H13 DLC

TiALN 5 H13 TiALN

TiALN + TiALN 5 H13 TiALN + TiALN

TiCN 5 H13 TiCN

DDT 5 H13 DDT

Identificación GRUPO 5 - TBL1901-5-4130 TOTAL: 40 piezas


TiN 5 4130 TiN

ZrN 5 4130 ZrN

CrN 5 4130 CrN

DLC 5 4130 DLC

TiALN 5 4130 TiALN

TiALN + TiALN 5 4130 TiALN + TiALN

TiCN 5 4130 TiCN

DDT 5 4130 DDT

Identificación GRUPO 6 - TBL1901-6-D2 TOTAL: 40 piezas


TiN 5 D2 TiN

ZrN 5 D2 ZrN

CrN 5 D2 CrN

DLC 5 D2 DLC

TiALN 5 D2 TiALN

TiALN + TiALN 5 D2 TiALN + TiALN

TiCN 5 D2 TiCN

DDT 5 D2 DDT

Tabla 6-2 Identificación propuesta para validación.

Los especímenes requieren ser empacados individualmente para evitar daños durante

su transportación.

6.4 MÉTODO ESTADÍSTICO ANOVA PROPUESTO PARA COMPARAR

COMBINACIONES El método de comparación estadístico ANOVA es propuesto por ser ideal para el

proyecto de implementación, usando su modalidad de dos vías donde podremos ver y

comparar los diferentes efectos en los aceros y en los recubrimientos protectores.




100

Inicialmente se determina que para lograr obtener un resultado confiable es necesario

realizar varias réplicas del experimento, en este caso se seleccionan cinco réplicas. Se

usa el modelo de ANOVA de efectos fijos y se asume que los datos provienen de

poblaciones normales, las cuales podrían diferir únicamente en sus promedios. Se

sugiere utilizar el software MINITAB® versión 14.12.0 nuevamente para el análisis de los

datos.

La figura 6-2 muestra un ejemplo del resultado que se espera lograr al finalizar

completamente la experimentación. La imagen es una representación grafica del

método estadístico ANOVA. Al usar el método estadístico ANOVA dos vías se espera

observar el desgaste de todas las combinaciones de especímenes y si son entre ellos

diferentes estadísticamente.

Fig. 5-2 Método estadístico ANOVA para comparar desgaste de especímenes.

Los datos a capturar para el experimento son: el tipo de acero, el tipo de

recubrimiento, el número de la repetición y el desgaste promedio medido en el

profilómetro láser.

Un resumen del método estadístico ANOVA es como sigue, la idea básica del análisis

de la varianza es comparar la variación total de un conjunto de muestras y

descomponerla, así que, un simple test a partir de la F de Snedecor puede decidir si el

factor o tratamiento es estadísticamente significativo.

La técnica fundamental consiste en la separación de la suma de cuadrados (SS, 'sum

of squares') en componentes relativos a los factores contemplados en el modelo.

De

sg

aste

en

mm

icro

ne

s

Recubrimiento

Acero

ZrN

WC

C +

a-c

:HTiN

TiC

N

TiA

LN

+ T

iALN

TiA

LN

Sin

recubrim

iento

DLC

CrN

S7

H13

D2

A2

4140PH

4130

S7

H13

D2

A2

4140PH

4130

S7

H13

D2

A2

4140PH

4130

S7

H13

D2

A2

4140PH

4130

S7

H13

D2

A2

4140PH

4130

S7

H13

D2

A2

4140PH

4130

S7

H13

D2

A2

4140PH

4130

S7

H13

D2

A2

4140PH

4130

S7

H13

D2

A2

4140PH

4130

20

15

10

5

0

-5

ANOVA para Desgaste de Especimenes de prueba




101

𝑺𝑺𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝑺𝑺𝒇𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 + 𝑺𝑺𝒊𝒏𝒕

Donde:

𝑺𝑺𝒇𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓Es un número real relacionado con la varianza, que mide la variación debida al

"factor", "tratamiento" o tipo de situación estudiado.

𝑺𝑺𝒊𝒏𝒕 Es un número real relacionado con la varianza, que mide la variación dentro de

cada "factor", "tratamiento" o tipo de situación.

𝑺𝒇𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 =𝑺𝑺𝒇𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓

𝒂 − 𝟏

𝑺𝒊𝒏𝒕 =𝑺𝑺𝒇𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓

𝒂(𝒃 − 𝟏)

Donde:

𝒂 El número de situaciones diferentes o valores del factor se están comparando.

𝒃 Es el número de mediciones en cada experimento o el número de valores disponibles para

cada valor del factor.

Para el análisis, se mantienen constantes en todos los experimentos la geometría del

espécimen, la presión de la inyección, el tiempo de sostenimiento y de enfriamiento, el

tipo de polímero y la temperatura de inyección.

6.5 APLICACIÓN A MOLDES NUEVOS El molde nuevo, se construye de acuerdo a los requerimientos de la pieza a inyectar,

usualmente se usa un método denominado ―Scientific Molding‖ que asegura que los

parámetros y dimensiones de las piezas moldeadas sean óptimas. Estas condiciones

son revisadas entre Sensata Technologies y los fabricantes de los moldes mediante un

proceso llamado TLP (Traffic Light Procedure). Durante estas revisiones se puede

verificar que se usen los recubrimientos recomendados por los resultado de las




102

verificaciones si las partes plásticas a inyectar son del tipo PPE+PS+PA. Así como

asegurar agregar los inserto testigos de desgate para monitoreo y medición.




103

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to simulate injection molding for plastic.




ANEXO A (Simulador) – Hoja A

8. ANEXO A.- EQUIPO SIMULADOR DE DESGASTE EXPERIMENTAL En este anexo se explica la construcción y diseño del simulador experimental usado

para la investigación. Se revisaron varios tipos de simuladores de desgaste, como el

simulador con rueda de goma usado por el Dr. P. Boey basado en las

recomendaciones de prueba de ASTM (14), sin embargo se concluyo que este

simulador no reproducía fielmente las severas condiciones que ocurren dentro de una

maquina inyectora industrial, por lo que se optó por diseñar un equipo de laboratorio

que sea capaz de recrear dichas condiciones.

8.1 PRIMER PROTOTIPO DE SIMULADOR DE DESGASTE EXPERIMENTAL Para iniciar la experimentación se desarrolló un simulador de inyección, ya que el

disponer de máquinas de inyección de plástico para producción no fue factible,

debido a su falta de disponibilidad; este simulador debería reproducir las mismas

características de inyección que una máquina industrial en una escala mucho más

pequeña para reducir la cantidad de resina necesaria para la simulación, así como

reducir el tiempo necesario para la investigación.

8.1.1 Construcción del primer prototipo del simulador

El diseño original del primer simulador utilizó un soporte comercial de tornillo embalado

en una estructura de aluminio, el sistema motriz para la inyección constó de un motor

eléctrico con moto-reductor de corriente directa. El sistema de inyección se basó en el

desarrollo de una camisa y un tubo de material de alta resistencia con forma de

jeringa. La camisa era de aluminio y sostenía una resistencia en forma de abrazadera

qué servía para calentar el conjunto inyector.

El control de temperatura se realizaba mediante un termopar acoplado a un

controlador de temperatura marca Termotech que se encargaba de mantener la

camisa a la temperatura programada en el controlador.

El conjunto inyector de pistón y embolo fueron construido con acero O1 para asegurar

soportar las presiones de inyección y se utilizó una camisa de aluminio para agregar

suficiente masa térmica que permitiera una operación semi-contínua de inyección.

Para poder reutilizar la resina inyectada se desarrolló un brazo robot cuya finalidad fue

la de recoger las inyecciones y regresarlas al depósito del inyector, para volver a fundir




ANEXO A (Simulador) – Hoja B

el polímero una y otra vez para poder así mantener una operación semiautomática

continua.

La figura 8-1 muestra la imagen del primer prototipo de inyector antes de que se

dañara al realizar las primeras pruebas.

Fig. 8-1 Primer prototipo de simulador completo.

Al inicio, el simulador fue capaz de plastificar la muestra de resina y pudo ser inyectada

en el molde de pruebas. Sin embargo, durante uno de los siguientes ciclos hubo una

obstrucción de la boquilla de salida que provocó que el mecanismo de inyección se

dañara por el exceso de presión, ya que el diseño no contemplaba soportar tales

esfuerzos. Cuando se produjo el daño en el primer simulador, se realizó el análisis para

entender el modo de falla y se dedujo que se debía realizar un nuevo diseño que

pudiese soportar la presión de inyección.

8.1.2 Problemas detectados y lecciones aprendidas del primer prototipo

Los problemas detectados y las lecciones aprendidas del primer prototipo se pueden

resumir en la necesidad de verificar y recalcular la estructura del simulador para que

pueda soportar la fuerza máxima de inyección, puesto que después del análisis se

consideró que fue la ausencia de este proceso la razón del daño en la estructura del

primer simulador.

Otra lección aprendida del primer simulador es que, un sólo punto de medición de

temperatura no es suficiente para poder garantizar que todo el sistema inyección esté

listo para aplicar la presión de inyección, por lo que, se requiere de más puntos de

medición de temperatura para poder garantizar que todo el sistema funcione




ANEXO A (Simulador) – Hoja C

correctamente; en este caso, el nuevo simulador utilizará tres termistores en lugar de

uno solo; uno revisará la temperatura de la camisa central, otro revisará la

temperatura de salida de la boquilla, y por último, otro de los termistores revisará la

temperatura del molde. Respecto al control de la temperatura es preferible tener un

módulo centralizado con múltiples entradas digitales que sea capaz de leer y controlar

las diferentes señales de los termistores, al mismo tiempo esto sugiere la utilización de un

micro controlador con entradas análogas.

Otro factor que se pudo observar en el primer simulador es que, el controlador utilizaba

una técnica denominada on-off para mantener la temperatura del inyector en el

rango deseado; sin embargo, la variación observada fue mayor a 15 grados

centígrados debido a la masa de la camisa del inyector, por lo que se pudo

determinar que esa técnica no es la correcta para lograr o mantener la temperatura

del sistema; esta observación sugiere que debe utilizarse otra técnica de control

denominada «control proporcional integral derivativo» que es comúnmente utilizada

en la industria. Para lograr esto, también es necesario utilizar un sistema diferente de

potencia. El primer simulador utilizaba un relevador de potencia para controlar la

energía hacia la resistencia, sin embargo, para poder aplicar el control proporcional es

necesario cambiar a un módulo electrónico denominado SSR (relevador de estado

sólido) que permita el control de la resistencia por una técnica denominada PWM que

se basa en la variación del ancho de pulso para tener un control analógico de la

salida de voltaje a la resistencia. La siguiente versión del simulador utilizará esta

experiencia para construir un sistema de control basado en el método PWM de

modulación de ancho de pulso utilizando un microcontrolador para este fin.

8.2 DISEÑO DEL SIMULADOR EXPERIMENTAL DE DESGASTE

Para el diseño final del simulador de desgaste hubo que considerar las características

requeridas para lograr realizar la inyección del Noryl, como son la presión y las

temperaturas obtenidas mediante el uso de programas de simulación.

El diseño del simulador experimental se realizó empleando varios softwares entre ellos

Solidworks para el diseño mecánico, ProfiCAD para los diagramas eléctricos, LISA para

el cálculo de elemento finito, Compilador Nativo Arduino para la programación del




ANEXO A (Simulador) – Hoja D

micro-controlador ATMEGA380 y el software TINA-TI para el diseño y simulación de los

circuitos electrónicos de interfase.

8.2.1 Diseño del simulador en 3D Solidworks

El diseño del prototipo final del simulador de inyección se realizó en el software

Solidworks con el cual se realizaron todos los dibujos en 3D, los análisis térmicos y de

esfuerzos de los componentes. La figura 8-2 muestra un diagrama a bloques de la

versión final del simulador en la que aparecen los componentes que se diseñaron

según la sección en la que van ensamblados.

Fig. 8-2 Diagrama a bloques de los sistemas que componen al simulador.

Al tener el diseño terminado en lo concerniente al Solidworks, se realizó una simulación

de esfuerzos para ver si la estructura será capaz de soportar las presiones de inyección,

que se espera serán de aproximadamente 3 toneladas de fuerza, esto en condiciones

de boquilla bloqueada. El diseño en la simulación logró ser lo suficientemente rígido

para esta fuerza, por lo que se prosiguió con la construcción física del modelo. Para la

estructura de la versión final del simulador, se seleccionó el acero 1018, que es un




ANEXO A (Simulador) – Hoja E

acero grado maquinaria. Este acero presenta un buen grado de maquinabilidad y una

buena rigidez mecánica.

El dibujo final del simulador se muestra en la figura 8-3. Se puede apreciar el diseño

mecánico completo de la estructura de soporte del simulador de desgaste, con el

sistema inyector montado sobre el molde de pruebas; se puede observar también el

diseño del mecanismo de cierre y el recuperador de resina.

Fig. 8-3 Diseño mecánico del simulador.

Durante el diseño, una consideración para el uso en laboratorios es que no debe utilizar

múltiple fuentes de energía, más que la eléctrica, por esto se descartó las opciones

hidráulicas y neumáticas para este sistema. El diseño se basó en dos motores eléctricos

con moto-reductor integrado, un sistema de poleas para transferir el esfuerzo a un

juego de tornillos embalados; éstos, convierten el movimiento giratorio en un avance

en línea permitiendo hacer la apertura y cierre del molde así como controlar el

desplazamiento del pistón inyector.

8.3 CÁLCULO DE ESTRÉS EN LA ESTRUCTURA DEL SIMULADOR Para el cálculo del estrés estructural inicialmente se hizo una propuesta de modelo

usando una estructura simple de cubo para sostener al inyector. Para probar si el

modelo funcionaba se realizó una simulación de esfuerzos, en el software CAD

Solidworks.




ANEXO A (Simulador) – Hoja F

El resultado del estudio de esfuerzos realizado en Solidworks de la primera propuesta

de diseño, se puede observar que la estructura que sostiene al sistema inyector no fue

lo suficientemente rígida. Puede apreciarse en la figura las tensiones más altas se

localizaban primero en las barras de soporte del inyector y en los cuatro postes de la

estructura, estas áreas están marcadas en colores rojo y amarillo. El esfuerzo máximo

determinado por el estudio es de 3,265N/m2, esta fuerza no es capaz de flexionar la

estructura, por lo que, la conclusión es que no debe modificarse el diseño.

El segundo reporte de las deformaciones en distancia de la primera propuesta de

diseño, proporcionado por Solidworks, se muestra la figura 8-4. Puede observarse que

existen deformaciones exageradas en el soporte durante la inyección, del orden de 24

milésimas de milímetro. Lo cual es aceptable para poder proseguir con la construcción.

8.4 DESARROLLO DE LA UNIDAD DE CIERRE Una vez completo el diseño del soporte estructural, se procede al diseño de la unidad

de cierre del molde basándonos en los resultados de la simulación CAE (software de

diseño) que se realizó en la pieza de plástico inyectada. Los parámetros que se usan

son: presión de llenado en la cavidad, presión en el bebedero y fuerza de cierre para

el molde.

Fig. 8-4 Deformaciones por esfuerzos para la primera propuesta.




ANEXO A (Simulador) – Hoja G

Para que la unidad de cierre funcione apropiadamente para el molde porta

especímenes del experimento, es necesario mantener las dos partes del molde

firmemente unidas y ajustadas durante el ciclo de inyección.

De acuerdo con la simulación CAE, la máxima fuerza que se produce en el cierre del

molde durante el proceso de inyección es de sesenta kilogramos; utilizando un margen

de seguridad amplio y con la finalidad de que el sistema sea flexible se diseña la

unidad de cierre para que logre alcanzar una fuerza de mínima de sostenimiento de

una tonelada lineal. Por lo que es necesario disponer de un sistema de apriete capaz

de lograr esta fuerza, se selecciona el sistema mecánico con palancas acopladas en

su versión básica, que se compone solo de dos brazos extensores y un soporte de

empuje

La figura 8-5 muestra una fotografía del detalle de los bujes de bronce y las barras de

acero D2 con recubrimiento de cromo duro (columnas guía) del sistema de cierre del

simulador con las que se corregirá el problema del punto débil de la estructura;

también se puede observar el detalle de la placa móvil y de la placa estacionaria

frontal.

Fig. 8-5 Fotografía del sistema de cierre construido para el simulador.

8.5 DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL ELECTRÓNICO DEL

SIMULADOR El diseño final del sistema de control electrónico del simulador de desgaste se realizó

utilizando un micro controlador ATMEGA256016AU. Este micro-controlador se

seleccionó por su versatilidad en el manejo de señales análogas y digitales, ya que

puede manejar un amplio número de señales de entrada y salida, por su tamaño de

memoria de gran capacidad y por su alta velocidad de procesamiento.

Adicionalmente, este circuito cuenta con una amplia librería de rutinas de acceso libre




ANEXO A (Simulador) – Hoja H

denominadas ―open source‖ con las cuales es posible realizar tareas complejas con un

mínimo de programación. Este circuito se encarga de controlar todas las funciones del

simulador.

La conexión de los circuitos de control que no son directamente compatibles con el

microcontrolador son adaptados mediante un circuito de interfase que contiene

optoaisladores y relevadores que permiten la conexión al micro-controlador. A este

circuito se le denominará interfase de opto acopladores.

8.5.1 Diagrama a bloques del sistema de control

El diagrama de bloques del sistema de control electrónico de la figura 8-7 muestra la

interacción de las diferentes secciones que se emplean para generar la simulación de

la inyección.

Fig. 8-6 Diagrama a bloques sistema de control del simulador.

El circuito microcontrolador se alimenta con una fuente de 18 volts de corriente directa

regulada, los otros circuitos se alimentan de la misma fuente o directamente del voltaje

de línea de 110 VCA (voltaje de corriente alterna).




ANEXO A (Simulador) – Hoja I

8.5.2 Micro-controlador ATMEGA256016AU

El circuito ATMEGA256016AUes un micro controlador de 8-bits comercializado por

ATMEL. Para esta aplicación se seleccionó el arreglo que comercializa el fabricante

Arduino Mega 2560 r3. La tablilla electrónica (PCB), tiene 86 pines de entrada/salida

digitales, de los cuales, 15 pueden ser utilizados como salidas de Modulación de Ancho

de Pulso (PWM por sus siglas en inglés) y 16 entradas analógicas con una resolución de

210 bits (esto es que pueden leer valores análogos de 0 a 1023 correspondientes a 0

volts hasta 5 volts.), un oscilador de cristal de 16 MHz, una conexión USB micro y un

botón de reset así como los circuitos de apoyo para la operación del microcontrolador;

la programación y comunicación se realiza por un puerto micro USB integrado.

Otra de las razones por las que se selecciona este tipo de microcontrolador es para

poder integrar en el control de temperatura del inyector el método de control

denominado PID (Proporciona-Integral-Derivativo) que permite un control estable de la

temperatura por medio de un control de potencia análogo para el control del

calefactor.

8.5.3 Interfase de la pantalla de cristal líquido y botoneras

La pantalla de cristal líquido (display LCD) y las botoneras son el medio para comunicar

el estado del simulador al experimentador y permiten seleccionar las funciones que

ejecutará el microcontrolador.

La pantalla de cristal líquido que se seleccionó es la ADM1602K-NSW-FBS/Z, es utilizada

en el sistema de control y cuenta con dos líneas para el despliegue de información,

cada una de ellas con una capacidad de diez y seis caracteres alfanuméricos. Esta

pantalla se comunica con el microcontrolador por medio de seis líneas de control (bits)

que permiten enviar serialmente los caracteres que se van a desplegar en la pantalla.

La figura 8-9 muestra la botonera principal y la botonera auxiliar, la botonera auxiliar

del inyector que contiene el selector de manual/automático, el interruptor luminoso de

encendido y el selector (potenciómetro) de ajuste de temperatura del inyector. En la

imagen de la izquierda se pueden apreciar las conexiones internas y a la derecha, la

parte exterior de la botonera auxiliar.




ANEXO A (Simulador) – Hoja J

Fig. 8-7 Botonera principal y auxiliar.

8.5.4 Diseño de interfase para el termistor

Para la medición de la temperatura en el inyector, se diseñó una interfase utilizando un

termistor en la boquilla y otro en el molde. El termistor es un componente

semiconductor que varía su valor de resistencia según la temperatura que le rodea. Se

utiliza un circuito divisor de tensión basado en resistencias que permite convertir a

voltaje las variaciones de resistencia del termistor al estar expuesto a diferentes

temperaturas. El voltaje que sale del circuito, se aplica a la entrada analógica A0 del

microcontrolador, el que, mediante su algoritmo controla la respuesta en potencia de

la resistencia del calefactor del inyector basado en las mediciones de la entrada A0.

Se midió experimentalmente la resistencia del termistor a varias temperaturas

comprendidas entre los -40 y los 300 grados centígrados, estas mediciones se usaron

para determinar un modelo matemático mediante una regresión numérica no lineal, la

figura 8-9 muestra el modelo de la resistencia del termistor contra la temperatura

obtenida con las mediciones de la experimentación con el termistor.




ANEXO A (Simulador) – Hoja K

Fig. 8-8 Regresión valores esperados a diferentes temperaturas del termistor.

El modelo del termistor para la programación del microcontrolador se obtiene de la

ecuación que representa el voltaje que será aplicado en la entrada análoga del

microcontrolador, las ecuaciones 9.66. a, 4.66.b y 4-66c muestran las ecuaciones

usadas para obtener los valores de referencia en el microcontrolador.:

𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟 = 25688.3 (𝑒−0.0651266 𝑇𝑒𝑚𝑝 .𝐼𝑛𝑦𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 ) ( ecuación 8a)

𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝 =𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟

𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟 +1000 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (ecuación 8b)

𝑽𝒐𝒍𝒕𝒂𝒋𝒆 𝒕𝒆𝒎𝒑 = 𝟐𝟓𝟔𝟖𝟖.𝟑∗(𝒆−𝟎.𝟎𝟔𝟓𝟏𝟐𝟔𝟔 𝑻𝒆𝒎𝒑.𝑰𝒏𝒚𝒆𝒄𝒕𝒐𝒓 ) 𝒗𝒐𝒍𝒕𝒂𝒋𝒆 𝒓𝒆𝒇𝒆𝒓𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂

𝟐𝟓𝟔𝟖𝟖.𝟑∗(𝒆−𝟎.𝟎𝟔𝟓𝟏𝟐𝟔𝟔 𝑻𝒆𝒎𝒑.𝑰𝒏𝒚𝒆𝒄𝒕𝒐𝒓 ) + 𝟏𝟎𝟎𝟎 (ecuación 8c)

8.5.5 Interfase de potencia para la resistencia calefactora

La interfase de potencia que se usa para controlar el calor generado por el calefactor

tipo abrazadera es un Relevador de Estado Sólido (SSR) de 50 amperes. La potencia

del calefactores es de 450 Watts a 110 volts, el elemento calefactor es una resistencia

modelo SSX100. La resistencia puede generar 900 Watts a 220 volts, pero se desea

trabajar en bajo voltaje para asegurar no generar demasiado estrés eléctrico o térmico

en el componente.

El circuito de control de potencia de la resistencia calefactora, utiliza un relevador de

estado sólido (SSR)que controla fracciones de voltaje en la resistencia de calefacción,

lo cual permite regular la cantidad de energía calorífica que genera la resistencia.

3002001000-100

700000

600000

500000

400000

300000

200000

100000

0

Temperatura en grados Centigrados

Re

sis

tan

cia

en

oh

ms

Regression

95% CI

Curva de resistencia vs temperatura de termistorResistancia = 25688.3 * exp(-0.0651266 * Temp)




ANEXO A (Simulador) – Hoja L

Para lograr esto, la entrada del SSR, es manejada por el microcontrolador mediante un

tren de pulsos.

El microcontrolador Arduino genera y manda un tren de pulsos en formato de

modulación de ancho de pulso que llega a la sección de bajo voltaje del SSR, (5 volts

de corriente directa) y en respuesta, el SSR controla un voltaje proporcional en el

circuito de 110volts de corriente alterna.

8.6 ANÁLISIS TÉRMICO DEL INYECTOR PARA EL SIMULADOR El análisis térmico del inyector se diseñó basado en un sistema de inyección por

cilindro, donde la camisa exterior transfiere calor a la resina y un émbolo lo empuja

para alcanzar la presión de inyección.

El objetivo de este análisis es verificar que el diseño del inyector sea capaz de trabajar

adecuadamente con el polímero Noryl GTX 830; para esto, se realizó un análisis térmico

con el fin de verificar que la potencia calorífica sea suficiente para alcanzar la

temperatura de plastificación de la resina y así, evitar problemas de distribución

térmica entre la camisa de aluminio, el tubo inyector y la boquilla.

Los primeros resultados del estudio térmico realizado en Solidworks mostraron una

diferencia de temperatura entre el tubo inyector y la boquilla que se excedía del rango

de plastificación del Noryl, que es de 280 a 310 grados centígrados.

En este diseño se agregó una camisa de aluminio para transferir la temperatura de la

resistencia tipo abrazadera al tubo inyector construido en acero O1. Este arreglo tiene

como finalidad crear una masa térmica lo suficientemente grande para que cuando

se realicen las inyecciones, no se pierda rápidamente la temperatura interior del tubo.

Sin embargo, el análisis térmico mostró que las distancias entre la resistencia, la camisa

de aluminio y la boquilla eran muy grandes.

El estudio térmico del inyector sugirió que el diseño no era el adecuado porque tenía

grandes pérdidas de temperatura, por lo que, se procedió a modificar la geometría en

la parte más fría, que resultó ser la boquilla.

La mejora en el diseño del inyector, luego de la simulación térmica, se enfocó en la

boquilla. Un nuevo estudio térmico mostró que era suficiente con modificar la

geometría de la boquilla para lograr el objetivo térmico sin afectar las partes más

complejas como el tubo o la camisa del inyector.




ANEXO A (Simulador) – Hoja M

La figura 8-11 muestra la modificación hecha en la boquilla para lograr mantener la

temperatura dentro del rango de plastificación. En la imagen de la izquierda se ve

cómo era la boquilla en el primer prototipo, y a la derecha se aprecia el nuevo diseño

que permitirá realizar la inyección del polímero. La nueva boquilla es más corta y tiene

alrededor del cono de salida una mayor cantidad de material que facilita mantener la

temperatura.

8.6.1 Análisis térmico con el rediseño de boquilla

El análisis térmico que se realizó al inyector con la geometría de la boquilla corregida

requirió la definición de los parámetros iniciales para la simulación térmica, todos estos

parámetros se obtuvieron de la base de datos del software Solidworks al definir los

materiales que componen al inyector, así como los datos de potencia del calefactor y

el tiempo de operación. En la figura 8-11 la imagen muestra el resultado térmico de la

simulación a los 30 minutos para el diseño de la boquilla, el cual ya calienta dentro de

los rangos de plastificación del Noryl GTX 830.

Fig. 8-9 Rediseño de boquilla para lograr mantener temperatura.




ANEXO A (Simulador) – Hoja N

Para el cálculo del tiempo que se necesita para que la resina pueda ser inyectada,

durante el análisis térmico del inyector corregido, aplicando el método de regresión no

lineal, utilizando como herramienta el software Minitab versión 14, se determina el

modelo matemático que puede predecir la temperatura del inyector corregido con un

95% de confianza en los valores de temperatura obtenidos.

La figura 8-13 muestra el comportamiento de la temperatura vs tiempo y los resultados

de las simulaciones térmicas del inyector. Es posible también observar el modelo

matemático obtenido por el software Minitab. El modelo se usa para determinar el

tiempo mínimo que requiere el inyector para alcanzar la temperatura de plastificación

del Noryl.

El modelo matemático queda como:

𝒕𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂𝒕𝒖𝒃𝒐𝒊𝒏𝒚𝒆𝒄𝒕𝒐𝒓 = 𝟑𝟕.𝟔𝟖 + 𝟏𝟖.𝟔𝟓 𝒕 − 𝟎.𝟒𝟏𝟏𝟒 𝒕𝟐 + 𝟎.𝟎𝟎𝟑𝟎𝟔𝟎 𝒕𝟑

Donde:

𝒕 = tiempo energizado de la resistencia tipo abrazadera en minutos.

Fig. 8-10 Análisis térmico de Rediseño que

resuelve el problema zonas de frías.




ANEXO A (Simulador) – Hoja O

𝒕𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂𝒕𝒖𝒃𝒐𝒊𝒏𝒚𝒆𝒄𝒕𝒐𝒓 = temperatura esperada en grados.

Los valores calculados por el modelo matemático del inyector se usan en el programa

del micro-controlador para definir tiempos de operación, de inyección y control PID

(Proporcional Integral Derivativo por sus siglas en inglés).

La simulación térmica de la inyectora a los 28 minutos de calentamiento continuo del

calefactor, se puede determinar que en este tiempo se puede detener el

calentamiento y la temperatura en la boquilla está dentro del rango de inyección por

lo que el diseño del circuito de control va asegurar que el inyector este fluctuando

entre 280 a 305 grados centígrados. Viendo la figura pueden notarse los puntos más

calientes y fríos del inyector, 305 grados en el centro del pistón del inyector y lo más frio

264 grados centígrados en la parte más baja de la boquilla, ambos dentro de rango de

plastificación. Se concluye que el inyector va a requerir al menos 22 minutos para

poder iniciar las simulaciones.

8.7 DISEÑO DE UNIDAD INYECTORA BASADO EN SIMULACIÓN TÉRMICA

EN SOLIDWORKS En el diseño de la unidad inyectora se realizó una simulación térmica utilizando el

software Solidworks. El inyector se desarrolló como un modelo básico de pistón para

Tiempo de Calentamiento

Te

mp

era

tu

ra

in

te

rio

r I

nje

cto

r

6050403020100

350

300

250

200

150

100

50

0

280

305 S 4.97224

R-Sq 99.8%

R-Sq(adj) 99.7%

Regression

95% CI

Análisis térmico de Inyector Temp interior Inyector = 37.68 + 18.65 Tiempo

- 0.4114 Tiempo**2 + 0.003060 Tiempo**3

Temperatura de inyección

del Noryl GTX 830

de 280 a 305 grados

centigrados

Fig. 8-11 Comportamiento

térmico esperado del

inyector




ANEXO A (Simulador) – Hoja P

facilitar la construcción y el tamaño de la inyectora. Se seleccionó el acero O1 para la

construcción del pistón central, y para la camisa externa se seleccionó el aluminio.

La figura 8-12 es una fotografía del torneado del inyector. Fue necesario realizar un

ensamble en caliente para asegurar un buen contacto entre el inyector y la camisa de

aluminio, esta camisa transfiere el calor de la resistencia tipo abrazadera a la camisa y

ésta última transfiere por conducción la energía térmica al inyector. La camisa de

aluminio aumenta la masa térmica permitiendo conservar una estabilidad térmica en

su conjunto.

8.8 ENSAMBLE COMPLETO DEL SIMULADOR La construcción y ensamble del simulador se realizó en base a los diseños de Solidworks

y los resultados de las simulaciones de esfuerzos y análisis térmicos del mismo. La figura

8-15 muestra una fotografía del simulador de inyección completo.

Fig. 8-12 Fotografía

del torneado del

inyector.




ANEXO A (Simulador) – Hoja Q

Fig. 8-13 Fotografía del simulador de inyección experimental completo.

Proyecto de mejora de vida útil de moldes de inyección que ... · de moldes de inyecciÓn de...

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