Contracciones y deformaciones en las piezas de
plástico
Las contracciones en el diseño del molde
Juan de Juanes Márquez Sevillano
Diseño y Transformación de Plásticos
Contracción y deformación
Contracción: cambio de volumen que sufre una pieza
cuando se enfría una vez transformada (shrinkage).
Mientras que deformación o distorsión es el cambio de
forma de una pieza cuando se enfría una vez
transformada (warpage).
Consecuencias:
Debe tenerse en cuenta en las dimensionado del molde.
Debe estimarse a priori la contracción de la pieza, aunque
no es fácil, debido al número de parámetros que influyen.
Diseño y Transformación de Plásticos
Origen de la contracción
La contracción no está solo relacionada con la dilatación
térmica.
La contracción final de la pieza es menor que la derivada
de su dilatación térmica.
Otros mecanismos intervienen en la contracción, como:
Solidificación/Cristalización del polímero
• Velocidad de enfriamiento.
• Temperatura del molde.
Tensiones internas
Restricciones del molde
Termodinámica del proceso
Diseño y Transformación de Plásticos
Evolución termodinámica
Volumen específico v
Influencia de
la presión
Inicio de la
contracción
Influencia de
la temperatura
Temperatura T
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0-1: Llenado volumétrico
1-2: Compresión
2-3: Presión de mantenimiento
3-4: Eliminación de la presión
4-5: Enfriamiento de desmoldeo
5-6: Enfriamiento ambiente
Estimación de la contracción
Los diagramas PvT dan información sobre el volumen de
V
contracción.
S
=
V − V
La contracción volumétrica es:
C
V
C
P
VC= Volumen de la cavidad del molde
Vp= Volumen de la pieza moldeada
S V = 1 – (1 – S L ) (1 – S W ) (1 – S S )
SL = Contracción longitudinal
SW = Contracción transversal
SS= Contracción del espesor
La contracción lineal es:
S
I
=
IW − I F
IW
SI = Contracción lineal
IW = Dimensión cavidad del molde
IF = Dimensión pieza moldeada
La contracción se expresa en términos porcentuales
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Contracciones direccionales
La contracción no es uniforme.
Contracción del espesor
SS = 0.9 −0.95* SV
Contracción longitudinal y transversal
SL/W = 0.1−0.05*SV
Sv = Contracción volumétrica
Ss = Contracción en el espesor
Sl/v = Contracción longitudinal/transversal
Solidificado
Longitud contraída
Contorno después contracción
Contorno molde
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Fluido
Evolución de las dimensiones con el tiempo
En la transformación del polímero las dimensiones de la
pieza sufren variaciones
A: Molde frío
B: Molde caliente
C: Pieza desmoldeada
D: Pieza en C.N.
E: Pieza en servicio
F: Pieza con absorción de agua
1: Dimensión molde
2: Dilatación molde
3: Contracción desmoldeo
4: Contracción pieza
5: Post-contracción
6: Contracción total
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Post-contracción
Es la contracción que sufre una pieza en servicio o
almacenada sobre todo a temperaturas altas.
Es debido a:
Relajación de tensiones.
Reorientación molecular.
Post-cristalización.
La absorción de agua modifica las dimensiones de la
pieza y se añade a la post-contracción (poliamidas)
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Factores que influyen en la contracción
Material
Proceso de moldeo
Contracción
Pieza
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Molde
Influencia del material en la contracción
Amorfo o Semicristalino
Volumen específico v
Sólido
cristalino
Líquido
Líquido
Amorfo
Semicristalino
Temperatura T
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P=constante
Cristalización
Velocidad de cristalización depende de la temperatura
del molde.
Baja velocidad
de cristalización
•Alta cristalización
•Elevada contracción
•Baja cristalización
Alta velocidad de
cristalización
•Baja contracción
•Elevada post-contracción
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Efecto de los refuerzos
Refuerzos esféricos.
Reducen las contracciones
Refuerzos de fibras.
Impiden la contracción en la dirección de la fibra y dan
lugar a una menor contracción
En la dirección perpendicular, la contracción es algo mayor
que con el refuerzo esférico
Material
Refuerzo
Contracción
longitudinal/transversal
Poliamida PA6
No reforzado
1,0 / 1,2
Poliamida PA6
30% fibra de vidrio
0,2 / 0,8
Poliamida PA6
15% esferas / 25%
fibras
0,3 / 0,9
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Influencia de los refuerzos de fibra
Longitudinal
Contracción %
Transversal
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Probeta: 150X90X3 mm
Temperatura molde: 80ºC
Parámetros de proceso
Los parámetros de proceso que más influyen en la
contracción de las piezas moldeadas, son:
Presión de mantenimiento.
Tiempo de actuación de la presión de mantenimiento.
Temperatura del molde.
Temperatura de la masa.
Velocidad de inyección.
Temperatura de desmoldeo.
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Presión de mantenimiento
Contracción %
Mayor presión de mantenimiento=menor contracción
Presión de mantenimiento
En los materiales semicristalinos es posible reducir hasta 0,5% de
contracción.
En los materiales amorfos la reducción es menor, normalmente por
debajo de 0,2%
Diseño y Transformación de Plásticos
Presión de mantenimiento
La diferente presión de mantenimiento en una pieza da
lugar a deformaciones.
Pieza moldeada
Forma de la pieza
Entrada
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Tiempo de mantenimiento
Contracción
La entrada de masa fundida en el molde compensa la contracción
en la fase de enfriamiento.
La influencia en los materiales amorfos es bastante menor que en
los semicristalinos.
Tiempo de mantenimiento
Con entradas amplias el tiempo de actuación de la presión de
mantenimiento es mayor.
La posición de las entradas deben situarse en las paredes más
gruesas.
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Temperatura del molde
Contracción
La contracción se incrementa con la temperatura del molde, ya que
tiene una relación directa con la velocidad de enfriamiento.
Temperatura de molde
Es mayor la influencia de la temperaturas del molde en materiales
semicristalinos que en los amorfos.
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Velocidad de inyección
La velocidad de inyección tiene influencia en:
la orientación molecular,
calentamiento por cizallamiento,
viscosidad de la masa
Contracción
Que compensan unas con otras el efecto sobre la
contracciones.
Velocidad de inyección
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Temperatura de expulsión
La expulsión debe hacerse en el momento que no de
lugar a deformaciones permanentes indeseables
Contracción
Contracción
Temperatura de expulsión
Diseño y Transformación de Plásticos
Espesor de las paredes
Espesores de paredes más reducidos provocan un
enfriamiento más rápido de la pieza moldeada.
Espesores mayores proporcionan una cristalización
mayor y por lo tanto un incremento de la contracción.
B
Espesor de pared
PA6 no reforzado
A: Pieza desmoldeada
B: 2,5% de absorción de agua
Diseño y Transformación de Plásticos
Contracción
Contracción
A
A
B
Espesor de pared
PA6 reforzado
A: Pieza desmoldeada
B: 1,5% de absorción de agua
Espesores de las paredes
Contracción
Contracción
Los materiales amorfos presentan menor grado de
contracción en relación con el espesor de las paredes
Espesor de pared
A: PC sin reforzar
B: PC GF
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Espesor de pared
ABS no reforzado
Variación del espesor de las paredes
Espesores más reducidos alejados de la entrada dan
lugar a menores contracciones.
La presión de mantenimiento tiene menor efecto en los
extremos de la pieza y da lugar a una mayor
contracción.
Menos
propensión a la
deformación
Entrada
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Nervaduras
Los nervios al tener menor espesor que las paredes
tienen menor contracción que éstas (mantienen su
longitud).
Al mantener su longitud frente al resto de la partes de
una pieza pueden dar lugar a deformaciones.
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Molde
El molde influye en las contracciones, principalmente a
través del:
Enfriamiento y calentamiento.
Tipo de entrada.
Posición de la entrada.
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Enfriamiento del molde
Diferentes temperaturas en las distintas partes de un
molde dan lugar a contracciones diferentes.
La evacuación del calor es más limitada en los núcleos
que en las cavidades, lo que da lugar a temperaturas
diferentes en las superficies de una misma pared de un
pieza.
Temperatura
Tensión
Diseño y Transformación de Plásticos
Temperatura
Tensión
Posición de la entrada
La posición de la entrada en la pieza debe asegurar unas
condiciones de proceso, dentro de unos rangos
adecuados.
Siempre que sea posible la posición de la entrada debe
estar en las paredes más gruesas.
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Deformaciones
Las deformaciones se producen por contracciones diferenciales
entre distintas partes de una pieza.
Estas diferencias son debidas a:
Contracciones diferentes en la dirección de flujo y en la normal a
esta dirección, sobre todo en materiales reforzados con fibra.
Contracciones diferentes debido a espesores distintos de una
misma pieza .
Contracciones diferentes debido a temperaturas distintas en el
molde.
Contracciones diferentes debido a presiones distintas en
diferentes partes de la pieza
Las mayores contracciones de los materiales semicristalinos
provocaran mayores deformaciones.
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Tipos de deformaciones
Deformaciones en discos
Contracción
transversal
Contracción
longitudinal
Fibra de vidrio
Contracción
circunferencial
Posibles
deformaciones
Diseño y Transformación de Plásticos
Tipos de deformaciones
Deformaciones en geometrías iguales con materiales
reforzados o no y diferentes espesores de paredes.
No reforzada
Deformación
por espesores
desiguales
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Reforzada
Deformación por
orientación de
las fibras
Tipos de deformaciones
Las deformaciones en los paneles con polímeros
reforzados se debe a la contracción diferente en los
bordes como consecuencia de una orientación diferente
de las fibras.
Contracción
transversal grande
Orientación de la
fibra al final del
flujo
Deformación en
paredes delgadas
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Tipos de deformación
La posición y el tipo de entrada permiten obtener
orientaciones más uniformes de las fibras.
Mejor
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Tipos de deformación
Deformación en esquinas.
Masa
fundida
residual
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Rechupes
Son deformaciones locales superficiales en forma de
depresión.
Se producen en zonas de encuentro de paredes.
Rechupes
Poros
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Acumulación
de masa
Contracciones de diferentes polímeros
Longitudinal
Transversal
Isotrópico
Contracción %
Diseño y Transformación de Plásticos
Volumen específico v
Volumen específico v
PvT amorfos y cristalinos
Temperatura T
Diseño y Transformación de Plásticos
Temperatura T
Temperatura de la masa
Una
mayor
dilatación
térmica y por lo tanto
mayor contracción
Una reducción de la
viscosidad de la masa y por
lo
tanto
una
mejor
compactación
y
una
reducción de la contracción
Contracción
La temperatura de la masa tiene dos efectos
contrapuestos. Temperaturas altas dan lugar a:
Temperatura de la masa
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Temperatura del molde
Probeta: 150X90X3 mm
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Contracción
Post-contracción
Contracción %
Temperaturas del molde bajas
dan lugar a velocidades de
enfriamiento altas y por lo
tanto,
cristalizaciones
y
contracciones
bajas,
pero
grandes post-contracciones
La contracción total final de
una pieza en servicio es
análoga con temperaturas del
molde diferentes
Tipo de entrada
El tipo de entrada debe permitir la compactación de la
pieza en la fase de mantenimiento de la presión y la
entrada de material.
El enfriamiento de la entrada no debe tener un efecto
negativo en esta fase.
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Tensiones internas
El impedimento de las contracciones térmicas dan lugar
a tensiones internas, que se pueden manifestar
negativamente cuando las solicitaciones tensionales son
altas.
B. Desacoplados mecánicamente
s
A. Perfil de temperatura
Espesor
de pared
C. Acoplados mecánicamente
s
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Contracción
térmica