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Diseño y Transformación de PlásticosDiseño y Transformación de Plásticos
AnAnáálisis tlisis téérmico de la inyeccirmico de la inyeccióónn
VariaciVariacióón de las temperaturas en el ciclon de las temperaturas en el cicloJuan de Juanes MJuan de Juanes Máárquez Sevillanorquez Sevillano
Diseño y Transformación de PlásticosDiseño y Transformación de Plásticos
InterInteréés del control de temperatura del moldes del control de temperatura del molde
Una de los parUna de los paráámetros mmetros máás importantes a controlar s importantes a controlar durante la inyeccidurante la inyeccióón es la evolucin es la evolucióón de la temperatura de n de la temperatura de la masa y del molde.la masa y del molde.Un ajuste correcto de la evoluciUn ajuste correcto de la evolucióón de la temperatura n de la temperatura permite:permite:
Reducir los costes de las piezas.Conseguir contracciones uniformes.Obtener la calidad superficial de la pieza exigida.Alcanzar las características mecánicas adecuadas en todas las partes de la pieza.
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Temperatura del moldeTemperatura del molde
La temperatura del molde se refiere a la temperatura de La temperatura del molde se refiere a la temperatura de las paredes del molde.las paredes del molde.Es un parEs un paráámetro sobre el que puede actuarse durante el metro sobre el que puede actuarse durante el proceso y que debe ser tenido en cuenta en el diseproceso y que debe ser tenido en cuenta en el diseñño o del molde al disedel molde al diseññar el sistema de enfriamiento.ar el sistema de enfriamiento.Los objetivos que debemos considerar en el diseLos objetivos que debemos considerar en el diseñño del o del sistema de enfriamiento son:sistema de enfriamiento son:
La temperatura media del molde debe mantenerse en un rango lo más reducido como sea posible.La temperatura debe ser lo más uniforme como sea posible a lo largo de todos los puntos del molde.El tiempo de ciclo debe ser lo más corto como sea posible.
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VariaciVariacióón de la temperatura del molden de la temperatura del molde
La temperatura del molde en un punto determinado varLa temperatura del molde en un punto determinado varíía a lo a a lo largo del ciclo de inyeccilargo del ciclo de inyeccióón.n.
El sistema de enfriamiento influye en la variaciEl sistema de enfriamiento influye en la variacióón de la n de la temperatura.temperatura.La temperatura desciende mLa temperatura desciende máás rs ráápidamente despupidamente despuéés del s del desmoldeodesmoldeo (molde abierto).(molde abierto).
ϑWE
= Temperatura desmoldeoϑW
= Temperatura moldetciclo
= Tiempo de ciclo
Inyección Desmoldeo
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VariaciVariacióón de la temperatura del molden de la temperatura del molde
La temperatura mLa temperatura mááxima es funcixima es funcióón de la permeabilidad n de la permeabilidad ttéérmica:rmica:
cbbbbb
MW
MMWwW .... min
max λρϑϑϑ =++
=
ϑwmin
= temperatura mínimaϑM
= temperatura masabW
= permeabilidad moldebM
= permeabilidad polímeroρ= densidadλ= conductividad térmicac= calor específicoMaterial Permeabilidad
Ws1/2 m-2 deg -1
Berilio (BeCu 25) 17,2-103
Acero no aleado (C 45 W 3) 13,8-103
Acero al cromo (X 40 Cr 13) 11,7-103
Polietileno (PE-HD) 0,99-103
Poliestileno (PS) 0,57-103
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VariaciVariacióón de la temperatura del molden de la temperatura del molde
La amplitud de la fluctuaciLa amplitud de la fluctuacióón es menor en el interior de n es menor en el interior de las paredes del molde (sensores de temperatura).las paredes del molde (sensores de temperatura).
Tiempo
Distancia del termopar
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Tiempo de enfriamientoTiempo de enfriamiento
El enfriamiento comienza en la fase de llenado, aunque la mayor El enfriamiento comienza en la fase de llenado, aunque la mayor parte del calor extraparte del calor extraíído se produce a partir de esta fasedo se produce a partir de esta faseEl llenado del molde es un proceso bastante isotermo debido al El llenado del molde es un proceso bastante isotermo debido al aporte de energaporte de energíía debido al rozamiento interno de la masaa debido al rozamiento interno de la masaEl tiempo de enfriamiento se puede estimar aproximadamente a El tiempo de enfriamiento se puede estimar aproximadamente a travtravéés de las ecuaciones siguientes aplicadas a cada parte de la s de las ecuaciones siguientes aplicadas a cada parte de la piezapiezaSi el enfriamiento se realiza muy rSi el enfriamiento se realiza muy ráápido las desviaciones que se pido las desviaciones que se obtienen son elevadas. Por ello se recomienda que el nobtienen son elevadas. Por ello se recomienda que el núúmero de mero de Fourier sea mayor de 0,05Fourier sea mayor de 0,05
( )1,005.0.2 >> mejor
xat
t = tiempo de enfriamiento estimadoa = difusividad térmicax = espesor de pared s o radio r en
cilíndros largos
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Temperaturas de procesoTemperaturas de proceso
En el momento de En el momento de desmoldeodesmoldeo el perfil de temperatura en el perfil de temperatura en las paredes de la pieza es seglas paredes de la pieza es segúún se presenta en la figuran se presenta en la figura
Termoplástico Temperatura Molde °C
Temperatura Masa °C
Temperatura de desmoldeo °C
Apec HT (PC-HT) 100-150 310-340 150
Bayblend (PC+ABS) (55)1) 70-100 240-280 110
Desmopan (TPU) 20-50 190-245 50-70
Durethan A (PA 66) (60)1) 80-100 275-295 110
Durethan AKV (PA 66), GF) (60)1) 80-120 280-300 140
Durethan B (PA 6) (60)1) 80-100 260-280 100
Durethan BKV (PA 6, GF) (60)1) 80-120 270-290 130
Makrolon (PC) (>65)1) 80-100 280-320 <140
Makrolon (PC, GF) (>65)1) 80-130 310-330 <150
Novodur ABS (>45)1) 60-80 220-260 80-100
Lustran ABS (>45)1) 60-80 220-260 80-100
Lustran SAn 50-80 230-260 80-95
Pocan (PBT) (>60)1) 80-100 250-270 <140
Pocan (PBT, GF)) (>60)1) 80-100 250-270 <150
Triax (ABS + PA) 80-100 250-270 90-100
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ParParáámetros en el tiempo de enfriamientometros en el tiempo de enfriamiento
Espesor de pared
Tiem
po d
e en
friam
ient
o
Temperatura desmoldeo
Tiem
po d
e en
friam
ient
o
Temperatura molde
Tiem
po d
e en
friam
ient
o
Temperatura masa
Tiem
po d
e en
friam
ient
o
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ParParáámetros en el tiempo de enfriamientometros en el tiempo de enfriamiento
En resumen:En resumen:Las paredes deben ser lo más delgadas como sea posible.Las temperaturas de desmoldeo lo más alta como sea posible.Temperatura del molde razonable.La temperatura de la masa debe ser la adecuada para obtener una fluidez correcta.
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Balance tBalance téérmico del moldermico del molde
El objetivo es establecer la cantidad de energEl objetivo es establecer la cantidad de energíía calora caloríífica fica a extraer del molde durante el ciclo de inyeccia extraer del molde durante el ciclo de inyeccióón.n.
•Flujo térmico del polímero inyectado QF•Flujo por conducción desde la unidad de inyección QH•Flujo por conducción a la inyectora QL•Flujo por convección al ambiente QK•Flujo por radiación al ambiente QStr•Flujo extraído por el sistema de refrigeración QTM
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EnergEnergíía ta téérmica del polrmica del políímeromero
La energLa energíía ta téérmica aportada por el polrmica aportada por el políímero en la mero en la inyecciinyeccióón esn es
m
= Masa del polímeroΔh= Incremento de entalpíat
= Tiempo del ciclo
thmQF
Δ=
..
Temperatura
Ent
alpí
a es
pecí
fica
Temperatura
Ent
alpí
a es
pecí
fica
Amorfos
Semicristalinos
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Flujos de convecciFlujos de conveccióón en el molden en el molde
Las pLas péérdidas de calor por conveccirdidas de calor por conveccióón sigue la ley de n sigue la ley de Newton:Newton:
La temperatura exterior del molde es difLa temperatura exterior del molde es difíícil de cil de estimar, pero existe una correlaciestimar, pero existe una correlacióón estrecha con la n estrecha con la temperatura media del circuito de enfriamiento.temperatura media del circuito de enfriamiento.
( )UWALSK AQ ϑϑα −= .. AS
= Superficie lateralαL
= Coeficiente de convección natural del aire. 8W/m2.gradoϑWA
= Temperatura de la superficie exterior del moldeϑU
= Temperatura ambiente
Acero aleado
Acero no aleado
Berilio-cobre
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Flujos de convecciFlujos de conveccióón en el molden en el molde
Las pLas péérdidas con el molde abierto son:rdidas con el molde abierto son:
El flujo total por convecciEl flujo total por conveccióón sern seráá::
( )ciclo
offUWALTR t
tA .. ϑϑα − ATR
= Superficie de particióntoff
= Tiempo de apertura del moldetciclo
= Tiempo de ciclo
( ) ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−=
ciclo
offTRsUWALK t
tAAQ ...
ϑϑα
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Flujos de radiaciFlujos de radiacióón en el molden en el molde
Las pLas péérdidas por radiacirdidas por radiacióón son mn son máás reducidas que las de s reducidas que las de convecciconveccióón (25% de las de conveccin (25% de las de conveccióón a temperaturas n a temperaturas del molde superiores a 90del molde superiores a 90ººC).C).Las pLas péérdidas por radiacirdidas por radiacióón siguen la ley de Stefann siguen la ley de Stefan-- BoltzmannBoltzmann::
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
44
100100..
.UWA
SSstrTTCAQ ε
As
= Superficie de radiaciónε = Factor de emisión
0,25 para acero brillante0,8 para moldes usados
CS
= Coeficiente de radicación cuerpo negroTWA
= Temperatura absoluta moldeTU
= Temperatura absoluta ambiente
Conv
ecció
n
Radiación
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Flujos de conducciFlujos de conduccióón en el molden en el molde
Los flujos de calor por conducciLos flujos de calor por conduccióón se establecen entre el n se establecen entre el molde y los platos de la mmolde y los platos de la mááquina.quina.
En el caso de colocar aislantes el coeficiente de En el caso de colocar aislantes el coeficiente de conducciconduccióón sern seráá: :
( )UWAAL AQ ϑϑβ −= ..
isolF
Wisolisol
IS
λλ
ββ
..1 +
=
AA
= Superficies de las placas del moldeβ = Coeficiente de transmisión
λW
= Conductividad del moldeλisol
= Conductividad aislanteSisol
= Espesor aislanteIF
= Espesor molde
1168498
Aleación Cobre
Acero aleado
Aceroβ
gradomW.2
KmW
isol .7.0≈λ
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Circuito de enfriamientoCircuito de enfriamiento
La temperatura entre el polLa temperatura entre el políímero y los canales de enfriamiento mero y los canales de enfriamiento varvaríía cualitativamente como se observa en la figura. a cualitativamente como se observa en la figura.
Para conseguir una buena uniformidad en los flujos tPara conseguir una buena uniformidad en los flujos téérmicos es rmicos es aconsejable que el salto taconsejable que el salto téérmico no sea mayor de 30rmico no sea mayor de 30ººCC
PolímeroCanal de
enfriamiento
Δθ1
= Incremento de temperatura por conducción (negativo)Δθ2
= Incremento de temperatura por transmisión
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Circuito de enfriamientoCircuito de enfriamiento
Influencia de la conductividad del Influencia de la conductividad del material del molde.material del molde.
Los incrementos de temperatura por Los incrementos de temperatura por transmisitransmisióón pueden ser positivos en los n pueden ser positivos en los canalescanales
Cobre-berilioAcero al cromo
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PosiciPosicióón de los canales de enfriamienton de los canales de enfriamiento
El objetivo es obtener un enfriamiento uniforme.El objetivo es obtener un enfriamiento uniforme.En componentes de precisiEn componentes de precisióón el enfriamiento debe n el enfriamiento debe pensarse en la fase de disepensarse en la fase de diseñño conceptual del molde.o conceptual del molde.El canal ideal serEl canal ideal seríía el que aparece en la figura a, pero a el que aparece en la figura a, pero por rigidez puede ser mpor rigidez puede ser máás adecuado los canales que s adecuado los canales que aparecen en la figura b.aparecen en la figura b.
a b
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PosiciPosicióón de los canales de enfriamienton de los canales de enfriamiento
La posiciLa posicióón relativa de los canales da lugar a variaciones n relativa de los canales da lugar a variaciones de la temperatura en la superficie del moldede la temperatura en la superficie del molde
Se recomienda que la variaciSe recomienda que la variacióón de temperatura no sea n de temperatura no sea mayor de :mayor de :
2,5 a 5% en los polímeros semicristalinos.5 a 10% en los polímeros amorfos.
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Circuitos de enfriamientoCircuitos de enfriamiento
Circuitos exterioresCircuitos exteriores
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Circuitos de enfriamientoCircuitos de enfriamiento
Circuitos de refrigeraciCircuitos de refrigeracióón interiores para nn interiores para núúcleoscleos
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AnAnáálisis numlisis numééricorico
DistribuciDistribucióón temperaturas en el momento de n temperaturas en el momento de desmoldeodesmoldeo
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VariaciVariacióón de la temperatura del molden de la temperatura del molde
La evoluciLa evolucióón de la temperatura cuando la masa caliente contacta n de la temperatura cuando la masa caliente contacta con el molde frcon el molde fríío es cualitativamente la siguiente.o es cualitativamente la siguiente.
Esta evoluciEsta evolucióón depende de las propiedades tn depende de las propiedades téérmicas del material del rmicas del material del molde y del polmolde y del políímero.mero.
Punto de medida temperatura
PolímeroMolde
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Tiempo de enfriamientoTiempo de enfriamiento
El grado de enfriamiento es:El grado de enfriamiento es:
Cilindro
Plano
Cilindro
EcuaciónCondiciones contornoGeometría
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Tiempo de enfriamientoTiempo de enfriamiento
Esfera
Cilindro hueco
Cilindro hueco
Cubo
Con
Con
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Tiempo de enfriamientoTiempo de enfriamiento
La La difusividaddifusividad ttéérmica para diferentes polrmica para diferentes políímeros:meros:
Temperatura del molde Temperatura del molde
Difu
sivi
dad
Difu
sivi
dad
Polímeros amorfos Polímeros semicristalinos
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ParParáámetros en el tiempo de enfriamientometros en el tiempo de enfriamiento
Espesor de pared
Tiem
po d
e en
friam
ient
o
Temperatura desmoldeo
Tiem
po d
e en
friam
ient
o
Temperatura molde
Tiem
po d
e en
friam
ient
o
Temperatura masa
Tiem
po d
e en
friam
ient
o
WE
WM
effK TT
TTθ.θπaπ
St
−−
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
4ln2max2
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Circuito de enfriamientoCircuito de enfriamiento
WF
FTFKKw A
nQλ
δϑϑϑ..2..
.1 =−=Δ
KK
TMTM D
NU λα .=
TMKK
HUFTMKK A
QQQα
ϑϑϑ..2
...2
++=−=Δ
( )⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+⋅⋅−⋅=
67,042.075.0 1Pr180Re037.0
TK
KK
IDNu
TM
TMKKTM
TM
KKTM DVV
DVη
ρ⋅⋅=
⋅=Re
TM
TM
aν
=PrTMTM
TMTM C
aρ
λ⋅
=
Válido para Re<106 y 0,6<Pr<500
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PosiciPosicióón de los canales de enfriamienton de los canales de enfriamiento
La posiciLa posicióón relativa de los canales da lugar a variaciones n relativa de los canales da lugar a variaciones de la temperatura en la superficie del moldede la temperatura en la superficie del molde
Se recomienda que la variaciSe recomienda que la variacióón de temperatura no sea n de temperatura no sea mayor de :mayor de :
2,5 a 5% en los polímeros semicristalinos.5 a 10% en los polímeros amorfos.
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⋅⋅= C
BIn
CBBij
8.222.04.2
W
KKTM DBiλ
α ⋅= %
__
100j
WWIj ⋅=Δ ϑϑ
