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Monitorización del proceso de inyección a través de la presión en cavidad - infoPLC
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Monitorización del proceso de inyección a través de la presión en
cavidad - infoPLC
David García
Este informe demuestra el potencial de los sistemas basados en la presión de la cavidad para optimizar tanto la eficiencia del
proceso como el tiempo de ciclo, al tiempo que reduce los costes de la no calidad
Producción sin defectos, aumento de la productividad y reducción de costes: los fabricantes de piezas de plástico hacen oir su
voz para que se cumplan estos requisitos, especialmente en los sectores eléctrico y electrónico, en tecnología médica y en
ingeniería para el automóvil.
El aseguramiento de la calidad integrado en el proceso ofrece la única forma de lograr estos objetivos. La detección del
desperdicio (scrap) tan pronto como sea posible es un requisito obligatorio para alcanzar una producción ajustada o lean. Junto
con otras medidas, el objetivo final de la producción sin defectos es una mayor productividad gracias a una mejor utilización de
la máquina y menores costes.
La medición de la presión de la cavidad se postula como un método para el control continuo de la calidad de las piezas en la
producción en serie de piezas de plástico complejas (1).
Su curva refleja con precisión las condiciones bajo las cuales se moldea la pieza. Las piezas moldeadas por inyección que no
cumplen con las características de calidad requeridas se pueden separar automáticamente. Además del tradicional
aseguramiento de calidad , la presión de la cavidad abre posibilidades para una optimización eficiente del proceso, de modo que
se pueda minimizar el desperdicio, si no se llega a eliminar por completo.
Por supuesto, la información ofrecida por la presión en cavidad también se puede utilizar para mantener constantemente el
proceso bajo control. Es un método que se ha utilizado durante mucho tiempo para el cambio a segunda fase en respuesta a la
presión de la cavidad o el equilibrado automático de las boquillas de los sistemas de canal caliente. Se conocen otras estrategias
para el control del proceso basado en la presión de la cavidad, pero rara vez se usan debido a su alto grado de complejidad.
Este informe demuestra el potencial de los sistemas basados en la presión de la cavidad para optimizar tanto la eficiencia del
proceso como el tiempo de ciclo, al tiempo que reduce los costes de la no calidad. La clave es la producción sin defectos, que se
puede lograr mediante la separación de desperdicios y la optimización del proceso en función de la presión de la cavidad, como
se explica seguidamente para su uso práctico en el moldeo por inyección.
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1.Introducción
Los transformadores por inyección de hoy se enfrentan a desafíos que son casi imposibles de superar. Los requisitos de calidad
están aumentando, las piezas y los procesos se están volviendo más complejos, pero los precios abonados por los artículos están
en una continua disminución. A medida que los ciclos de vida del producto se acortan, ahora es casi imposible amortizar las
inversiones a largo plazo en ingeniería de procesos, moldes y tecnología de alta calidad. Las limitaciones económicas obligan a
los transformadores por inyección a optimizar sus procesos de continuamente, y evitar gastos en no calidad se ha convertido en
un requisito esencial. En estas circunstancias, las empresas más exitosas están invirtiendo en prevención como garantía de
calidad durante todo el ciclo de vida del producto. Evitar, por lo tanto, los costes de no calidad en una instalación de producción
altamente optimizada es una cuestión de primera necesidad.
En este contexto, los ingenieros de procesos tienen la tarea de optimizar simultáneamente numerosas características de calidad
como la estabilidad dimensional, acabado superficial y características funcionales de la pieza, con el objetivo de producir de
manera óptima y rentable. Las variaciones y perturbaciones originadas en los materiales, el entorno, los periféricos y en la
operativa sólo pueden prevenirse de forma limitada, por lo que es esencial identificarlos y compensarlos de inmediato.
El método más fiable para este propósito es iincorporar una garantía de calidad en el proceso. Para lograr el objetivo de
producción sin defectos en el moldeo por inyección con la máxima rentabilidad, Kistler ofrece su tecnología de sensores
especializados para la medida de la presión de la cavidad. Es la variable del proceso que más información ofrece, porque lo
describe inmediatamente, mientras la pieza moldeada se está creando fabricando. Sensores y sistemas basados en la presión de
cavidad detectan si una pieza debe ser desechada o no lo antes posible.
Como se demostrará con detalle a continuación, se puede obtener información muy valiosa del proceso a través de la curva de
presión. Por lo tanto, además de cumplir con el propósito de conseguir la monitorización, la medición de la presión de la
cavidad también se puede utilizar para optimizar el proceso. La visualización de los fenómenos en el interior del molde ofrece
una amplia gama de beneficios: mejora de la calidad de la pieza de plástico, localización y rectificación de errores en el proceso,
protección de los moldes, y también registro y documentación de la calidad de la pieza. Los parámetros relevantes, como la
velocidad de inyección y el nivel de presión de mantenimiento, etc., tienen una influencia directa en la presión de la cavidad,
por lo que pueden identificarse posibles fallos y errores desde la curva de presión.
La monitorización y la optimización del proceso a partir de la presión en cavidad ofrecen a los moldeadores por inyección una
solución para reducir los costes de no calidad y los protegerá contra la posibilidad de que piezas defectuosas lleguen a sus
clientes. Todos los esfuerzos para lograr una producción sin defectos en la fabricación en serie se centran en un objetivo: el éxito
empresarial para los transformadores.
2. Métodos de monitorización del proceso
Cada planta de inyección tiene como objetivo lograr un 100% de calidad en la producción. Una forma eficiente de lograr este
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objetivo es integrar la vigilancia de la calidad en el proceso. El aseguramiento de la calidad en la producción en serie utiliza
varios métodos y medidas, que se presentan en esta sección.
2.1 Diferentes métodos de monitorización del proceso de inyección
Los variedad de métodos abarca desde el muestreo estadístico hasta los procedimientos para evaluar las piezas ya fabricadas,
así como los conceptos que permiten utilizar los datos del proceso de moldeo por inyección para obtener documentación de
calidad.
2.1.1 Control estadístico del proceso
El control estadístico del proceso (statistical process control, SPC) se utiliza ampliamente en la industria. Se utiliza como
método principal para la supervisión de procesos y el control de calidad (2). El método basado en muestreos aleatorios puede
usarse para obtener pruebas de la solidez de la producción. Los resultados (valor medio frente a rango o valor medio frente a la
desviación estándar) se presentan a través de gráficos de control. Las muestras aleatorias se toman a intervalos prefijados y
dentro de un alcance definido; luego, se miden de acuerdo con un plan de control definido. Debido al enfriamiento que se
requiere y la contracción posterior que se presenta, generalmente hay un lapso de tiempo considerable entre la expulsión del
molde y la prueba de la pieza.
Por estas razones, hay límites para la idoneidad de este enfoque en inyección de plástico, con sus cortos tiempos de ciclo y
elevadas producciones. Para la correcta determinación de la calidad, las intervenciones de control en el proceso solo son
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posibles después de un retraso sustancial; esto puede poner en peligro la validez de las piezas ya fabricadas por moldeo por
inyección.
2.1.2 Monitorización a través de los parámetros clave de maquina
Se ofrece como una alternativa el registro de parámetros clave de la máquina (2) (3). Este enfoque utiliza los parámetros de la
máquina en lugar de seguir parámetros de pieza. Los criterios de evaluación para la calidad de la fabricación se ajustan a partir
de valores reales de las inyectoras y sus periféricos. Los datos del proceso derivados de la carrera del husillo, la presión
hidráulica y las temperaturas prefijadas se registran como fundamento para discriminar los parámetros informativos clave.
Dichos valores analizados estadísticamente se muestran en los controles centrales de las máquinas en forma gráfica (de forma
continua) o como registros en tablas. Si los parámetros clave individuales o múltiples violan los valores límite definidos, se
activa una alarma y las partes producidas se separan del lote de producción.
Los fabricantes de máquinaria han integrado dispositivos de este tipo en sus controles. En muchos casos, el seguimiento con
parámetros clave de máquina a partir de valores reales permite la detección de influencias disruptivas externas. Esto lo
convierte en un método adecuado para registrar la calidad del proceso.
2.1.3. Monitorización del proceso con la tecnología de sensor integrado en el molde
Sin embargo, los parámetros clave de máquina y periféricos no son suficientes a menudo para controlar el proceso y la calidad
de las piezas fabricadas con la precisión solicitada. Para obtener una imagen completa, los fenómenos presentes en el molde,
incluidos los canales de alimentación y las cavidades, deben tenerse en cuenta ya que muchos efectos e influencias disruptivas
solo llegan a la cavidad. Por ejemplo, los efectos debidos a la presencia de un canal caliente ("hot runner"), o las diferencias de
llenado que se producen en los moldes de múltiples cavidades, no se pueden capturar de la máquina. (3)
Para garantizar un control fiable del proceso, los sensores en todas las cavidades del molde son, por lo tanto, la solución
preferida
Las variables relevantes se pueden capturar exactamente donde se está conformando la pieza. En la mayoría de los casos, la
variable utilizada es la presión en la cavidad ("cavity pressure")En los últimos años, el registro conjunto de la presión en cavidad
y la temperatura de contacto también se ha convertido en un método establecido. (4)
2.1.4 Monitorización de la calidad con el modelado del proceso
El registro del proceso con su modelado estadístico se presenta como una forma extendida de su monitorización a través de
valores de proceso, porque la correlación de los parámetros clave del proceso y las características de la pieza especificadas se
cuantifica en un modelo. (5)
En comparación con el registro basado en variables de proceso, el método basado en modelos de calidad tiene la ventaja de que
las características de las piezas pueden calcularse directamente y compararse con las especificaciones.
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Este método requiere modelos apropiados que permitan un cálculo preciso de las características de la pieza, principalmente en
función de los valores de presión de la cavidad y temperatura de contacto. Dichos modelos se definen antes de la producción,
por ejemplo, durante la fase de prueba del molde. Para este propósito, el conocimiento del proceso, así como el conocimiento de
la influencia ejercida sobre las características de calidad por los parámetros de configuración de la máquina, se toma como base
para los ensayos iniciales, con la ayuda de la planificación de pruebas estadísticas del tipo diseño de experimentos, (Design of
Experiments, DoE). Cuando se llevan a cabo las pruebas, se miden los datos del proceso y se determina la calidad de las piezas
producidas, teniendo en cuenta las condiciones límite relevantes (por ejemplo, contracción y cristalización). El apoyo de un DoE
ha demostrado ser más eficiente y ofrecer un mejor rendimiento que la observación continua de muestras aleatorias (6) (5).
La generación de los modelos de proceso, es decir, el cálculo de las relaciones entre los datos del proceso y las características de
las piezas, se basa en un análisis matemático. Siempre que su precisión sea adecuada, estos modelos se utilizan para la
monitorización de la calidad en línea (7). Se manifiestan varias ventajas: cálculo de las características de calidad relevantes,
documentación 100% de la calidad de fabricación, separación del desperdicio y la posibilidad de un control de calidad casi en
tiempo real. Al mismo tiempo, este enfoque garantiza que el conocimiento del proceso se construya sistemáticamente, con una
eficiente optimización de la calidad.
2.2 Variables físicas utilizadas para monitorizar el proceso de inyección
Las propiedades internas del producto final se rigen por el comportamiento pvT del fundido: este describe el comportamiento
de solidificación y, por lo tanto, la contracción. En estos modelos, las variables a medir (presión y temperatura) describen
claramente el comportamiento en el proceso. En la actualidad, medir la temperatura del plástico fundido en la cavidad es un
procedimiento complejo y costoso, además de que la temperatura también varía mucho en la sección transversal; en
aplicaciones prácticas, por lo tanto, la presión de la cavidad se ha convertido en un factor clave para describir los procesos que
tienen lugar en la cavidad. Se distingue entre dos tipos de medición de temperatura en la cavidad: el método que usa sensores
IR (que no se discutirá con más detalle aquí) y la medición con un termopar, aunque esto solo puede suministrar una
temperatura de contacto.
2.2.1. Presión en la cavidad
La presión de la cavidad proporciona una descripción completa de las condiciones de formación de la pieza en las diferentes
fases del proceso. Es el valor que ofrece más información para el moldeo por inyección porque proporciona datos sobre el molde
donde se forma gradualmente la pieza de plástico.
Durante la fase de llenado, se conforman fundamentalmente las características de la superficie, y la orientación y la
cristalinidad en las capas más externas.
La presurización se inicia después del punto de conmutación: los contornos de la cavidad están ya conformados. La progresión
de esta fase determina factores como las rebabas y, por lo tanto, posibles daños al molde y defectos en la pieza. Durante el
periodo de mantenimiento subsiguiente, se determina la contracción y el peso de la pieza moldeada, pero afectando también al
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grado de cristalización y a la orientación de las macromoléculas dentro de la pieza. Cuando el material en la entrada a pieza
solidifica (sealing point), ya no entra más material a la pieza.
La información sobre la presión de la cavidad se puede utilizar como punto de partida para controlar el proceso y optimizar la
producción. Esta gráfica se correlaciona con las características de las piezas más relevantes, como la precisión dimensional, la
calidad superficial, el peso final o el llenado total. El conocimiento de las correlaciones físicas fundamentales facilita la
evaluación e interpretación de la curva de presión de la cavidad (3).
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El material fundido entra en la cavidad al comienzo de la fase de inyección (1). La presión puede medirse tan pronto como el
frente de flujo alcanza el sensor (2). La presión debería mostrar un aumento casi lineal a medida que aumenta el tiempo de
llenado. El final de la fase de inyección (3) se alcanza con el llenado volumétrico de la cavidad. La masa fundida se compactará
durante la fase de presurización para garantizar el llenado de los contornos de las piezas. La fase de mantenimiento comienza
después de alcanzar la presión máxima en la cavidad (4). Esta fase compensa la alta contracción del material plástico, es decir,
la reducción de su volumen debido al enfriamiento, aportando material. Cuando el polímero se enfria en la entrada (5), la
presión en la cavidad cae al nivel de presión ambiente debido a la continua contracción térmica (6).
2.2.2. Temperatura de contacto
La medición de la temperatura en la pared de la cavidad también proporciona información del proceso. Al comienzo de la
medición, la curva de temperatura muestra la temperatura de la cavidad del molde porque la masa fundida aún no ha alcanzado
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el sensor. A medida que fluye el material sobre el sensor, la temperatura aumenta bruscamente unos 30-40 K. La temperatura
máxima no corresponde a la temperatura de fusión, porque el enfriamiento en la capa externa causa una reducción masiva en la
conductividad térmica.
Por lo tanto, el perfil se puede utilizar para controlar la temperatura del molde y detectar el frente de flujo con precisión en el
proceso. La información técnica del proceso que se puede obtener del perfil de la temperatura como tal es limitada.
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3. Tecnología de los sensores de presión en cavidad
Los fenómenos que tienen lugar en el molde determinan la calidad de las piezas moldeadas. Esta sección se enfoca en la
tecnología de los sensores y métodos para la medición fiable de la presión de la cavidad.
3.1 Cómo funciona la tecnología del sensor de presión en cavidad
Las curvas de presión de los sensores de presión de cavidad de alta precisión son interpretables y aumentan la fiabilidad del
proceso. La medida de presión y temperatura durante el moldeo por inyección requiere una tecnología de medida fiable y
duradera con alta resolución y sin necesidad de mantenimiento. Los sistemas de medida que cumplen estos requisitos cubren
un rango de temperatura de material fundido de hasta 450 °C e, incluso bajo condiciones de presión de 2,000 bar, pueden
capturar y leer las pequeñas fluctuaciones de presión.
Estos requisitos solo los alcanzan los sensores piezoeléctricos, en algunos casos con cristales especiales. El principio de
medición se basa en el efecto piezoeléctrico, que permite la medida de presiones y fuerzas altamente dinámicas (7).
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La deformación direccional de un elemento de medida piezoeléctrico crea una carga eléctrica. La señal de carga, que es
proporcional a la presión, se convierte en voltaje eléctrico utilizando un amplificador de carga.
En la práctica, la masa de plástico fundido que fluye en el interior del molde ejerce una carga mecánica sobre el sensor tan
pronto como llega a la parte frontal del sensor. Esto provoca la deformación del elemento de cuarzo en el interior del sensor
que, a su vez, produce una carga eléctrica.
La señal de carga alimenta, a través de un cable de conexión, un amplificador de carga que la convierte en un voltaje de 0 a 10
voltios. Ambas señales se comportan proporcionalmente entre sí, lo que significa que el voltaje medido es proporcional a la
presión de la cavidad. Este valor puede recogerse del amplificador de carga y utilizarse con fines de medición, monitorización o
control de circuito cerrado.
3.2 Medición directa, indirecta y sin contacto
Con el método de medida directa, el sensor contacta con el polímero fundido en la cavidad para medir la presión directamente y
sin pérdidas. En la mayoría de los casos, la parte frontal del sensor se puede adaptar a la superficie de la cavidad, lo que
significa que solo se puede detectar una mínima marca en la pieza. El posicionamiento directo del sensor es independiente de la
orientación del molde y proporciona una medida sin desviación alguna (4).
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El uso de sensores del tipo indirecto ofrece otra alternativa. En este caso, un sensor de fuerza se coloca detrás de una varilla
(pin) estático, como un expulsor (ejector pin). Por lo tanto, la acción de la fuerza procede del plástico fundido que actúa sobre la
superficie frontal de la varilla, que transmite la fuerza al sensor. Al calcular el valor de la presión, se debe tener en cuenta el área
efectiva de la superficie frontal de la varilla interpuesta. El sensor generalmente se instala en la dirección de apertura del molde.
Se recomienda el método de medición indirecta si no hay suficiente espacio para un sensor de medición directa.
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Los componentes para óptica, como lentes o conductores de luz y piezas con superficies de Clase A para aplicaciones en
automoción, no deben mostrar marca alguna de los sensores. La presión de la cavidad para estas aplicaciones también se puede
medir sin contacto con vástagos auxiliares para medida
Estos sensores miden la deformación elástica del acero del molde causada por la presión de la cavidad. El valor medido se
puede utilizar como referencia para presión ejercida en ese punto (4).
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4. Localización de los sensores de presión
El posicionamiento del sensor en el molde es tan importante como el sensor mismo. Los datos CAD facilitan la identificación de
los puntos de instalación adecuados para uno o más sensores en el molde. El conocimiento básico necesario para este propósito
se presenta en las siguientes secciones.
El correcto posicionamiento del sensor de presión en cavidad es fundamental para obtener mediciones significativas. Se debe
prestar especial atención a la posición del sensor en relación con el recorrido del frente de flujo del plástico y el grosor de la
pared de la pieza en el punto de instalación. Para colocar los sensores de presión de forma ideal, los puntos donde el plástico
solidifica en primer y último lugar deben estimarse correctamente. Para cavidades con varias entradas a pieza, la medición debe
ubicarse en áreas críticas de la pieza.
El propósito buscado es particularmente relevante para el posicionamiento del sensor de presión en cavidad. Dependiendo de la
posición del sensor respecto al recorrido del polímero fundido, se obtendrán ciertas ventajas tanto para el uso de las señales
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como para su evaluación posterior. La tabla adjunta (Figura 9) muestra algunos ejemplos de posicionamiento óptimo del sensor
para diferentes tipos de uso. Se implementan combinaciones para aplicaciones con múltiples propósitos.
Se recomienda la colocación del sensor al final del recorrido de flujo para separar piezas incompletas. En piezas grandes, puede
ser útil un sensor cerca de la entrada y un segundo al final del llenado para conseguir detectar todas las piezas incompletas.
4.1 Medidas cerca de la entrada a pieza
La progresión de la presión dentro del molde se capturará durante la fase de inyección tan pronto como el frente de flujo del
plástico fundido llegue al sensor. La posición ideal para el sensor de presión en cavidad está cerca de la entrada. Un sensor
colocado cerca de la entrada entregará más información del proceso.
Por lo general se obtienen valores y medidas más significativos y más sostenidos cerca de la entrada y en un área de mayor
espesor de pared. Esto se debe a que los puntos de paredes gruesas son los últimos en solidificarse.
4.2 Medida lejos de la entrada a pieza
Cuanto más lejos de la entrada se tome la medida, más tarde el frente de flujo del polímero fundido llegará al sensor. La
medición solo comienza en este caso en una etapa tardía del llenado. Por lo tanto, la fase de inyección no se puede describir
hasta que se alcanza el sensor. En estas medidas en el final de la pieza, es decir, lejos de la entrada o al final del recorrido de
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flujo, la señal aumentará abruptamente en la fase de compresión.
Las posiciones lejos de la entrada ofrecen ventajas si es necesario monitorizar problemas especiales de calidad al final del
recorrido, por ejemplo, detectar contornos de piezas sin rellenar completamente, líneas de soldadura o el defectos conocido
como efecto diésel (diesel effect)
4.3 Posiciones críticas para los sensores
Los sensores solo deben colocarse en la entrada o en el distribuidor de un canal frío en casos excepcionales, ya que solo se
puede recopilar información limitada en esta área, especialmente después de que el fundido se haya solidificado en la entrada.
El moldeo por inyección de micropiezas es una excepción, porque no hay espacio suficiente en la cavidad a observar para
instalar un sensor.
Los sensores nunca deben colocarse frontalmente opuestos al punto de entrada, para evitar la superposición de un componente
de fuerza dinámica en la medición de la señal de presión de la cavidad. Este hecho llevaría a medidas erróneas.
También se requiere precaución con una instalación paralela al plano de partición. Esto puede ocasionar problemas al
desmoldear la pieza si el sensor no se instaló al ras de la pared de la cavidad. La deformación del orificio de montaje supone
riesgos adicionales debido a la compresión del molde (por la fuerza de cierre). Esto puede causar que el sensor se atasque en el
orificio, lo que puede provocar la interrupción de su correcto funcionamiento. Si el sensor se monta en paralelo a la superficie
de separación, por lo tanto, es esencial asegurarse de que haya una distancia adecuada de la superficie de separación y que la
estructura del molde sea sólida (4).
5. Composición de la cadena de medida
La cadena de medida usada para la evaluación de la señal de presión se compone principalmente del sensor, el cable de
conexión y el amplificador de medida. Este último convierte la señal de carga en un voltaje proorcional que es el que se registra
para obtener el perifl de presión en la cavidad. La señal de voltaje puede ser procesada tanto por la propia inyectora como por
una unidad externa. Las conexiones estandarizadas de los sensores se ajustan a ambas posiblidades.
5.1 Tecnología de conexión(cables y conectores)
El incremento del número de cavidades y el perfeccionamiento de los sistemas de refrigeración han incrementado la
complejidad del molde. La tecnología de conexión para los sensores de presion y temperatura ha llevado paralelamente un
desarollo continuo, y ofrece diversas soluciones técnicas a los reto que se presentan.
El enlace entre el sensor y el conector a instalar en el molde puede realizarse con dos tipos de cable distintos. Dependiendo de la
aplicación buscada y la estructura del molde, deberá elegirse el tipo más adecuado.
En la tecnología Single-Wire, el cable es un único hilo conductor con una reducida sección, y una especial cubierta altamente
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aislante. En este caso, el escudo contra perturbaciones externas para la sensible señal de carga lo proporciona el propio molde.
La tecnología Single wire ofrece la ventaja de conexiones sencillas, simplemente cortar y empalmar, permitiendo que los
propios clientes ajusten la longitud de cable precisa. Cualquier daño puede ser fácilmente reparado. Sin embargo, es importante
asegurar que no haya otras líneas activas (por ejemplo para elementos calefactores) instaladas en el mismo conducto para el
cable.
Por otro lado, el cable coaxial tiene su propio aislamiento y proporciona un apantallamiento eficaz incluso en instalaciones
difíciles. La desventaja estriba en su mayor diámetro, que hace más difícil su uso en molde con gran número de cavidades.
Tampoco pueden los usuarios adaptar la longitud del cable suministrado, teniendo que especificar la longitud requerida
previamente. Las reparaciones son casi siempre imposibles como consecuencia de la estructura multicapa del cable.
Para moldes complejos y modulares, dispositivos de contacto conectan cables en diferentes partes dentro del molde. Las
superficies de contacto en los elementos implicados permiten la conexión eléctrica.
Otra opción es el uso de espaciadores conductivos (conductive spacer sleeves). Si en la instalación no se producen desvíos
angulares, el espaciador puede roscarse con el sensor en lugar de con un cable; esta alternativa simplifica el taladrado y la
instalación en su conjunto. El elemento de contacto se instalará en el lado opuesto para garantizar la transmisión segura de la
carga.
Un conector multicanal y su cable específico se usan habitualmente para conectar el molde con el sistema de control del
proceso. A través de este dispositivo multicanal, cuatro u ocho señales se tratan y conectan mediante un único conector.
Como opción estandarizada, el conector multicanal para el molde se complementa con un chip para permitir la detección
automática del molde. El sistema de medida y análisis identifica el molde y usa los valores asignados del sistema y de los
sensores implicados. Esto previene errores y permite cambios de molde más rápidos.
5.2 Sistemas de monitorización
El sistema de control del proceso soporta muchas más funcionalidades además de la monitorización en sí. Se usa también para
análisis, optimización, documentación y control de la inyección a partir de los registros de presión en cavidad, incluso
facilitando la detección automática y separación de partes defectuosas.
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Los sistemas modernos de control de procesos deben ser compactos y adecuados para su uso en entornos industriales; deben
integrarse de forma flexible en entornos de fabricación diversos,
y tienen que tener un concepto orientado a la operatividad del proceso. Los sistemas de este tipo tienen hasta 32 entrdas para
sensores de presión en cavidad piezoeléctricos, y hasta 220 entradas analógicas de voltaje para temperatura u otras señales de
la máquina (carrera, presión hidráulica de la inyectora, etc.) (4)
La conectividad de múltiples dispositivos proporciona al proceso y a la calidad asociada al mismo datos relativos al mismo y
permite asociar instrucciones conjuntamente en una base de datos, facilitando unas bases sólidas para el análisis y la evaluación
estadística a través de la correlación del histórico de datos frente a la situación actual.
El almacenamiento centralizado de los datos de produccion permite una visión global de la situación de cada inyectora, así
como hace posible controlara la fabricación. Las máquinas pueden compararse entre sí, detectando rápidamente cualquier
desviación del proceso.
El almacenamiento y gestión de todos los parámetros del molde se integra igualmente en el sistema centralizado. Puede
accederse a los datos en cualquier momento vía navegador web y también a través de dispositivos móviles.
Los moderns sistemas de monitorización de procesos operan con independencia de las máquinas de inyección que se utilizan,
haciendo posible decisiones para su uso flexible y para factorías equivapadas con maquinaria de diferente tecnología.
Como alternataiva a un monitor externo, muchos fabricantes de maquinaria ofrecen la opción de transferir señales a su propio
monitor de la máquina a través de amplificadores de carga integrados. Funciones básicas como la visualización de los datos,
ciertas funciones de muestreo y cambios a segunda fase pilotados por la presión en cavidad se pueden habilitar también en estas
inyectoras.
6. Optimización del proceso de inyección a partir de la presión en
cavidad en la práctica
Como se ha descrito en las secciones precedentes, la curva de presión en cavidad ofrece una excelente visión del conjunto del
proceso y los fenómenos dentro del molde cuando se conforma la pieza. Proporciona un instrumento para la optimización del
proceso, porque se hacen visibles parámetros que afectan a la calidad de la pieza (8) (11). Cada una de las fases o momentos llenado, presurización y mantenimiento - pueden ser claramente identificadas, y los habituales criterios pueden aplicarse para
optimizarlas apoyandonos en la curva de presión. Algunos de los aspectos más destacados se explican a continuación.
6.1 Punto de conmutación
El punto de conmutación determina el final de la fase de llenado que es habitualmente controlada en las máquinas por la
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velocidad de avance del husillo (control en función del caudal de inyección). A partir del llenado volumétrico de la cavidad, el
punto de conmutación señala la trasición del control por velocidad del flujo al control por presión durante la presurización y la
fase de mantenimiento. Hay numerosos metodos para determinar el punto de conmutación tanto en la práctica como en la
literatura técnica, sólo el método basado en la curva de presión en cavidad se detalla aquí.
Durante la fase de llenado, un crecimiento continuo y mayormente lineal de la curva de presión puede observarse, debido a la
resistencia al flujo del material dentro de la cavidad. Una vez el molde está completamente lleno, aparece un brusco incremento
de la presión como consecuencia de la limitada compresibilidad del polímero fundido. Esto produce un pico o cresta en la curva
de presión que indica que se ha alcanzado el llenado volumétrico (Figura 11)
Si el punto de cambio se realiza anticipadamente, el molde no se habrá llenado completamente y el flujo de material fundido se
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detiene bruscamente; esto se identifica en la gráfica en cavidad al aparecer una caída de la presión. La ruptura en la continuidad
del frente de flujo puede conllevar el enfriamiento del frente de flujo, lo que impacta negativamente en la calidad de la pieza.
Los posibles efectos incluyen piezas incompletas, líneas de unión débiles, rechupes (especialmente lejos de la entrada), marcas
de flujo, defectos superficiales y oscilaciones en el peso de la pieza (Figura 12).
Programando el punto de conmutación demasiado tarde se origina una sobrepresión, porque la velocidad del husillo se
mantiene con la cavidad completamente llena, llevando la presión hasta su máximo. Todo esto conlleva la sobrecompactación
de la cavidad en la presurizacion, acompañada de la aparición de rebabas (flash).
Si el molde recibe estos esfuerzos debidos a valores altos de presión, pueden aparecer deformaciones permanentes en partes
sensibles de de la cavidad (Figura 13)
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Durante la puesta a punto, se estudia el llenado de la pieza y se determina en consecuencia el punto de conmutación óptima.
Este procedimiento se simplifica enormemente gracias a la observación de la curva de presión en cavidad (9). La presión en
cavidad se muestra en la pantalla en tiempo real, por lo que el punto de conmutación se aprecia fácilmente.
Este ajuste del punto de conmutación con la presión en cavidad puede trasladarse al control en máquina del mismo. El punto de
conmutación se regula habitualmente bien sea por posición del husillo o por la presión hidráulica. Si se dispone de la presión en
cavidad, esto posibilita compensar variaciones de muchos parámetros del material o de la máquina influyentes en el proceso
que se reflejan en la presión registrada.
Al igual que el método clásico de definir un valor de presión límite o umbral, hay un método para la detección automática del
cambio subito en la presión y el punto de conmutación. Este procedimiento, que se ha patentado por Kistler
(ComoNeoSWITCH o SLP) ,permite el control del proceso y este se adapta automáticamente al cambio en las condiciones de
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contorno, como cambios en la viscosidad.
6.2. Velocidad de inyección
Volumen de inyección y velocidad del frente de flujo son variables con una significativa influencia en la presién en cavidad.
Durante la fase de llenado, el objetivo es mantener constante la velocidad de este frente de flujo a lo largo de todo el llenado de
la cavidad.
Un cambio o incremento de la velocidad de inyección se manifiesta en la presión en cavidad como un cambio en la pendiente de
la presión durante la fase de llenado. El tiempo de llenado y, en algunos casos, la presión de inyección cambian bajo
determinadas circunstancias lo que conlleva incrementos o decrementos en el gradiente de presión.
Desde el punto de vista de la producción, una mayor velocidad de inyección en el recorrido del polímero - boquilla, mazarota,
sistema de alimentación y en la cavidad - significa un incremento del esfuerzo de cizalla sobre el material, con el consiguiente
incremento en la temperatura y disminución de la viscosidad. En casos extremos, este incremento de la velocidad de inyección
causará una elevación tal de la temperatura que puede conllevar daños térmicos sobre el material. Una optimización basada en
la presión de cavidad es posible en estos casos.
Si el llenado de la cavidad es demasiado lento, el resultado puede ser que el material fundido se enfríe soidificando y la cavidad
no llegue a llenarse.
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Puesto que la presión en cavidad se correlaciona directamente con la velocidad de inyección, cambios en el espesor de la pieza
se reconocen claramente y pueden compensarse mediante ajustes del perfil de velocidad en máquina.
6.3 Presión de compactación
En la fase de compactación, la contracción del material se compensa mediante la aportación de material fundido bajo presion
controlada.
Un incremento de la presión de compactación tambien reduce las marcas de contracción (sink marks o rechupes), y las
burbujas internas o vacíos. Si, por el contrario, el perfil seleccionado de presiones es demasiado elevado, se pueden esperar
dificultades para la expulsión, presión residual y piezas con rebabas (flash shoot). En casos extremos, una fuerte compactación
puede entreabrir ligeramente el molde.
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El objetivo de la optimización de esta etapa es determinar el mejor perfil posible para la presión en cavidad. Siguiendo el
método más común para ello, el nivel de presión se incrementa de acuerdo a las especificaciones del material y las
características de la pieza hasta que no presente defectos. Este fin se consigue rapidamente y con más facilidad con la ayuda de
la curva de presión en cavidad: esa curva de presión en cavidad "ideal", sin grandes caídas de presión y con transiciones suaves
(Firgua 11).
Una presión de compactación insuficiente conlleva marcas superficiales de contracción y problemas dimensionales. el origen
está en la falta de compensación de la contracción o incluso en el retroceso del material hacia el sistema de alimentación (curvas
más bajas en la Figura 15). Si la presión es demasiado alta, el molde se sobrecompacta con un llenado excesivo.
6.4 Tiempo de compactacion
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Durante el tiempo de compactación, el material fundido se enfría y se reduce la vena líquida en los canales de flujo. Cuando lael
punto de entrada se ha solidificado tras el "tiempo de sellado", el fundido ya no puede entrar en la cavidad.
El objeto de la optimización para este parámetro es mantener la presión necesaria tanto como sea posible, para continuar
introduciendo material, pero sin extender innecesariamente el tiempo de ciclo.
Si el tiempo de compactación es demasiado breve (acaba antes de la solidificación de la entrada a pieza), se puede observará
una caída en la curva de presión en cavidad (Figura 16). Asimismo, un tiempo excesivamente largo se reconocerá porque no
cambiará la curva. Tras el enfrimiento de la entrada, la pieza no recibe más influencia desde el husillo.
6.5 Temperatura de molde
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La temperatura de molde tiene escasa influencia sobre el flujo durante el llenado y la presurización. Sin embargo, cuando
comienza el enfriamiento del material en la fase de mantenimiento la situación cambia: la temperatura del molde juega un
importante papel porque a mayor temperatura menor velocidad de enfriamiento de la pieza inyectada.
Cuando la temperatura del molde es mayor, mejora la reproducción de la superficie de la cavidad . Hay también un incremento
en las propiedades mecánicas de los materiales semicristalinos por la mayor homogeneidad en su estructura, y las líneas de
soldadura son menos visibles. Las desventajas estriban en un mayor tiempo de enfriamiento y por tanto mayor tiempo de ciclo.
Optimizando esta etapa se busca favorecer ell llenado total de la pieza, con una temperatura de molde apropiada; debe tenerse
presente que el tiempo de ciclo se incrementa de acuerdo con un mayor tiempo de enfriamiento. Durante la etapa de
mantenimiento, un incremento de la temperatura de molde se traduce en una mayor presión transmitida a la cavidad (Figura
17).
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El efecto de la presión puede incrementarse si el tiempo de compactación es suficientemente largo. Esto afecta positivamente a
la estabilidad dimensional, al peso de la pieza, a la resistencia de las líneas de soldadura y aumenta la orientación cerca de la
entrada.
6.6 Temperatura del material
Temperatura de material más alta tiene un impacto positivo sobre la precisión de la pieza moldeada y sobre la visibildiad de las
líneas de unión. Sin embargo, puede incrementarse la contracción y la degradación térmica del material.
En la optimización de la temperatura del material se toman como referencias las hojas de especificaciones de los diferentes
proveedores. Dentro de esos límites, la temperatura trata de disminuirse con el fin de reducir el tiempo de ciclo o bien se
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incrementa si se busca mayor fluidez del polímero.
El efecto sobre la curva de presión se muestra esquemáticamente en las Figuras 18 y 19. Cambios en la temperatura del material
se observan en la curva de presión porque la temperatura tiene un efecto directo sobre la viscosidad: a mayor temperatura,
menor viscosidad.
Esto condiciona el comportamiento del flujo así como la presión dentro de la cavidad: a menor temperatura (viscosidad alta)
aparece una mayor presión durante el llenado debido a la resistencia ofrecida por el material lo largo de su avance. No obstante,
la presión transmitida puede ser menor, puesto que la sección de paso en la entrada se reduce (Figura 18, línea azul oscuro).
Una temperatura mayor (con la consiguiente menor viscosidad) llevará menores presiones en la fase de llenado y el material
completará mejor los contornos de la cavidad.
La menor resistencia al avance lleva a presiones menores, y asimismo a una mejor transmisión a través de la boquilla y el
sistema de alimentación, aunque la presión máxima en las etapas de presurización y mantenimiento, durante la compactación,
será mayor (Figura 19, curva azul) claro).
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Así pues, la curva de presión en cavidad muestra los cambios debidos a la temperatura, luego se puede utilizar para su
monitorización.
7. Monitorización automática y completa del proceso
Un aspecto de la monitorización automática y completa de la inyección que es importante para producción es el control y
documentación del proceso, con separación de piezas válidas y defectuosas. Las soluciones integrales de control que son
independientes de la máquina (como las mostradas de Kistler) son perfectas para su aplicación en estas áreas.
Sistemas del tipo ComoNeo de Kistler hacen posible el seguimiento de la presión en cavidad en tiempo real y las condiciones del
proceso pueden entenderse gracias a su intuitiva visualización.
Ademas de seguir y optimizar los parámetros del proceso, la calidad de la pieza en la producción en cursos puede asegurarse
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con los llamados objetos para evaluación (evaluation objects). De esta forma, la calidad esperable de la pieza se evalua incluso
antes de ser desmoldeada. Los fabricantes de piezas de precisión y de otros componentes críticos o de alta exigencia se
benefician de esta herramienta, que facilita al usuario un 100% de predicción en tiempo real de los incidencias asociadas a
calidad.
Se pueden fijar umbrales en tiempo real para el control automático o protección efectiva de los moldes en caso de condiciones
no deseadas de proceso.
Opciones avanzadas hacen posible la optimización continua del proceso de inyección para piezas de plástico complejas. Por
ejemplo, el control automatizado de los parámetros de la cámara caliente permite optimizar y mantener el equilibrado de
moldes multicavidad. Los datos de entrada se suministran a partir de la curva de presión en el molde en cada cavidad.
Frente a las soluciones integradas en la propia máquina, la monitorización externa hace posible el almacenamiento de los
registros de presión para toda la planta en una única base de datos. De esta forma, fabricaciones anteriores pueden compararse
con el perfil de referencia en cualquier momento, y la validación del proceso puede demostrarse en caso de reclamaciones
posteriores.
Junto a estos dispositivos externos, la monitorización de la presión de cavidad constituye una herramienta de prueba de molde,
análisis y optimización del proceso, control de la producción, e incluso realimentación del proceso, por ejemplo, en la
regulación de cámaras calientes y el punto de conmutación.
8. Resumen y conclusiones
Todas las plantas de inyección buscan producir de forma tan eficiente y económica como sea posible. Reducir los costes de no
calidad supone un esfuerzo continuo. La monitorización del proceso a partir de la presión en cavidad puede jugar un papel
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decisivo para ello.
La señal de la presión en cavidad responde antes pequeñas anomalías del proceso, y puede indicar desviaciones prontamente.
Factores aleatorios que provoocan problemas tales como piezas incompletas son eficazmente detectados y las piezas defectuosas
son separadas.
Esto ahorra costes secundarios en la planta - y después de que las piezas hayan sido entregadas al cliente - lo antes posible.
Gracias a la medida de presión en la cavidad, se alcanza una elevada comprensión del proceso, no sólo para la optimización,
sino para pruebas de molde, conduciendo a reducir tiempos y esfuerzos. Las herramientas y asistentes del software son capaces
de optimizar el proceso de puesta a punto y ajustar criterios de control; gracias a estas herramientas, los usuarios menos
experimentados pueden también acercarse a resultados claros (9).
Importantes porcentajes de desperdicios originados por piezas incompletas pueden evitarse, como explica claramente este
informe.d
El control plenamente automatizado del proceso establece el camino a seguir, porque la obtención de datos en cada proceso se
está volviendo cada vez más importante. La presión en la cavidad medida durante la producción refleja la calidad de las piezas
inyectadas, de forma que puede usarse para documentar los estándares de calidad: este es un beneficio que aprecian tanto los
productores como los clientes.
Como líder en la fabricación de sensores y sistemas para el aseguramiento de la calidad en la inyección de piezas de plástico,
Kistler fue pionero con sus trabajos de desarrollo en los años 70. En el futuro, igualmente, Kistler intentará conservar la
confianza que los moldistas de dodo el mundo depositan en su experiencia y conocimientos. La empresa trata de fortalecer su
posicion como líder tecnológico con innovadores desarrollos para el control de proceso en el sector del plástico, en respuesta a
demandas de sectores como el eléctrico, electrónico, equipamiento médico, aeroespacial e ingeniería para el automóvil.
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