título: pasos preliminares para un manual de diseño de

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Departamento de Ingeniería Mecánica Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de moldes de inyección de plásticos con herramientas CAD/CAE/CAM. Autor: José Miguel Bermúdez González Tutores: Dr. C. Ing. Ricardo Alfonso Blanco Dra. C. Ing. Blanca Rosa Cruz Cal , julio, 2019

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Page 1: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

Departamento de Ingeniería Mecánica

Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de moldes

de inyección de plásticos con herramientas CAD/CAE/CAM.

Autor: José Miguel Bermúdez González

Tutores: Dr. C. Ing. Ricardo Alfonso Blanco

Dra. C. Ing. Blanca Rosa Cruz Cal

, julio, 2019

Page 2: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

Department of Mechanical Engineering

Title: Preliminary steps for a plastics injection molds design

manual with CAD/CAE/CAM tools.

Author: José Miguel Bermúdez González

Thesis Director: Dr. C. Ing. Ricardo Alfonso Blanco

Dra. C. Ing. Blanca Rosa Cruz Cal

, July, 2019

Page 3: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de

Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria

“Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica

de la mencionada casa de altos estudios.

Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente:

Atribución- No Comercial- Compartir Igual

Para cualquier información contacte con:

Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las

Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830

Teléfonos.: +53 01 42281503-1419

Page 4: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

I

Pensamiento Hay manos capaces de fabricar herramientas con las que se hacen máquinas

para hacer ordenadores, que a su vez diseñan máquinas que hacen

herramientas para que las usen a mano.

La máquina la hace el hombre y es lo que el hombre hace con ella.

Jorge Drexler

Page 5: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

II

Dedicatoria A mi abuela, mis padres, mi hermana, mi novia y todo aquel

que de un modo u otro hizo posible que me formara como

ingeniero en la que es para mí, la más grande de todas las

universidades del país.

Page 6: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

III

Agradecimientos En primer lugar, deseo expresar mi agradecimiento a mis tutores

Ricardo Alfonso Blanco y Blanca Rosa Cruz Cal por su orientación y

constante apoyo en la dirección de esta Tesis.

A mi amigo y hermano Ernesto Pérez Díaz, por todo lo que hemos

pasado juntos desde la escuela primaria hasta lograr formarnos como

ingenieros, especialmente cuando todo indicaba que no lo lograríamos.

A todos los compañeros y amigos que formaron parte de esta inolvidable

experiencia.

A todo el claustro de profesores de la carrera de Ingeniería Mecánica.

Finalmente, quiero agradecer de un modo muy especial a mi abuela, mis

padres, mi hermana, mi novia, mis suegros y a toda mi familia, todos los

desvelos, preocupaciones y estímulos que me han dedicado estos años.

Page 7: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

IV

Resumen El presente trabajo de diploma aborda la temática del diseño de moldes para la

inyección de plásticos y el uso de softwares específicos. A partir del análisis de la

bibliografía disponible, se recopila y organiza una serie de principios y

conocimientos básicos sobre las herramientas CAD/CAE/CAM utilizadas para el

diseño, la simulación y la fabricación de moldes. Además, se presenta la secuencia

de pasos necesarios a seguir para realizar la simulación del llenado de la cavidad

del molde con el SolidWorks Plastics, el diseño con la herramienta de moldes del

SolidWorks, y, por último, utilizando el CAMWorks, la obtención del código CNC

para el maquinado de la cavidad del molde.

Page 8: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

V

Abstract This diploma work deals with the design of molds for plastics injection and the use

of specific software. Based on the analysis of the available bibliography, a series of

basic principles and knowledge about the CAD/CAE/CAM tools used for the design,

simulation and mold manufacture are compiled and organized. In addition, the

sequence of steps necessary to carry out the simulation of the filling of the mold

cavity with the SolidWorks Plastics is presented, the design with the SolidWorks

mold tool, and, finally, using the CAMWorks, obtaining the CNC code for the

machining of the mold cavity.

Page 9: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

VI

Tabla de contenido Introducción ............................................................................................................. 1

Capítulo I. Marco teórico referencial ........................................................................ 4

1.1 Generalidades sobre el plástico. .................................................................... 4

1.2 Clasificación de los plásticos. ........................................................................ 4

1.3 Moldeo de plásticos. ...................................................................................... 5

1.4 Procesos de manufactura para la fabricación de piezas plásticas. ................ 6

1.4.1 Moldeo por extrusión. .............................................................................. 7

1.4.2 Inflado (Extrusión de film tubular). ........................................................... 8

1.4.3 Moldeo por Compresión. .......................................................................... 8

1.4.4 Rotomoldeo. ............................................................................................ 9

1.4.5 Calandrado. ........................................................................................... 10

1.4.6 Termoformado. ...................................................................................... 10

1.4.7 Soplado (Insuflación). ............................................................................ 12

1.4.8 Moldeo por inyección. ............................................................................ 13

1.5 Las herramientas CAD/CAE/CAM en el diseño de moldes. ......................... 17

1.5.1 Diseño asistido por computadora........................................................... 17

1.5.2 Ingeniería asistida por computadora. ..................................................... 18

1.5.3 Manufactura asistida por computadora. ................................................. 20

1.5.4 Diseño de moldes con SolidWorks. ....................................................... 22

Conclusiones Parciales ...................................................................................... 25

Capítulo II. Simulación del llenado de la cavidad del molde. ................................. 26

2.1 Descripción de la pieza. ............................................................................... 26

2.2 Pasos para la simulación del llenado de la cavidad del molde .................... 27

2.2.1 Crear malla ............................................................................................ 27

2.2.3 Agregar material .................................................................................... 28

2.2.4 Añadir parámetros del proceso .............................................................. 31

2.2.5 Agregar condiciones de contorno .......................................................... 33

2.2.6 Ejecutar la simulación ............................................................................ 38

2.3 Análisis de resultados de la simulación ........................................................ 39

2.3.1 Tiempo de llenado y presión al final del llenado .................................... 39

2.3.2 Temperatura al final del llenado y temperatura central de frente de flujo ........................................................................................................................ 40

2.3.3 Tasa y tensiones de cizalla al final del llenado. ..................................... 41

Page 10: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

VII

2.3.4 Aumento de la temperatura y contracción del volumen al final del llenado. ........................................................................................................... 42

2.3.5 Tiempo de solidificación y de refrigeración. ........................................... 43

2.3.6 Temperatura al final del refrigerado y rechupes. ................................... 44

2.3.7 Contribución por punto de inyección y facilidad de llenado. .................. 45

2.3.8 Región solidificada al final del llenado y líneas de soldadura. ............... 46

2.3.9 Atrapamientos de aire ............................................................................ 47

Conclusiones parciales ...................................................................................... 48

Capítulo III. Diseño del molde de inyección de plástico. ....................................... 49

3.1 Pasos para la obtención del Núcleo y la Cavidad del molde. ....................... 49

3.1.1 Establecer contracción a la pieza. ......................................................... 49

3.1.2 Añadir línea de separación. ................................................................... 49

3.1.3 Agregar superficies desconectadas. ...................................................... 51

3.1.4 Añadir superficie de separación ............................................................. 51

3.1.5 Crear el núcleo y la cavidad del molde. ................................................. 52

3.2 Selección de la caja de moldes del catálogo HASCO 2019 ......................... 57

3.2.1 Tipo de elementos estandarizados. ....................................................... 57

3.2.2 Seleccionar tipo de molde ...................................................................... 57

3.2.3 Cambiar tamaño del molde. ................................................................... 58

3.2.4 Seleccionar placa base .......................................................................... 59

3.2.5 Seleccionar placa porta cavidad. ........................................................... 59

3.2.6 Seleccionar placa porta núcleos. ........................................................... 60

3.2.7 Seleccionar placa de respaldo de la placa porta núcleo. ....................... 60

3.2.8 Seleccionar regles. ................................................................................ 61

3.2.9 Seleccionar grupo expulsor. .................................................................. 61

3.2.10 Seleccionar placa de fijación móvil ...................................................... 62

3.2.11 Seleccionar bebedero .......................................................................... 62

3.2.12 Seleccionar los expulsores. ................................................................. 63

3.2.13 Exportar geometría. ............................................................................. 63

3.3 Modificaciones necesarias ........................................................................... 65

3.3.1 Placa de sujeción o placa base.............................................................. 65

3.3.2 Placa porta cavidad. .............................................................................. 65

3.3.3 Placa porta macho ................................................................................. 66

3.3.4 Placa de respaldo o de apoyo ............................................................... 67

3.3.5 Separadores o regles ............................................................................. 67

Page 11: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

VIII

3.3.6 Conjunto expulsor .................................................................................. 68

3.3.7 Placa de sujeción del lado móvil ............................................................ 69

3.3.8 Disco centrador ...................................................................................... 69

3.3.9 Bebedero ............................................................................................... 70

3.3.10 Expulsores ........................................................................................... 70

3.3.11 Inserto de la cavidad ............................................................................ 70

3.3.12 Inserto del núcleo ................................................................................. 71

3.3.13 Sistema de refrigeración ...................................................................... 72

3.3.14 Canales de alimentación ...................................................................... 75

Conclusiones parciales ...................................................................................... 77

Capítulo IV. Estrategia de maquinado para la obtención del código CNC. ........... 78

4.1 Definir la máquina, el controlador y la torreta de herramienta. ..................... 78

4.1.1 Seleccionar tipo de máquina herramienta .............................................. 78

4.1.2 Seleccionar la torreta de la herramienta ................................................ 79

4.1.3 Seleccionar el controlador. .................................................................... 80

4.2 Definir el sistema de coordenadas ............................................................... 80

4.3 Definir la pieza en bruto o tocho................................................................... 81

4.4 Insertar plano de trabajo .............................................................................. 82

4.5 Agregar rasgos mecanizables ...................................................................... 83

4.5.1 Rasgo MultiSuperficie ............................................................................ 83

4.5.2 Rasgo de 2.5 ejes .................................................................................. 83

4.6 Insertar operaciones de fresado................................................................... 85

4.6.1 Contorneado .......................................................................................... 85

4.6.2 Desbaste área ....................................................................................... 85

4.6.3 Proyección patrón .................................................................................. 87

4.7 Especificar parámetros de maquinado. ........................................................ 90

4.8 Generar Camino de las herramientas .......................................................... 93

4.9 Simular camino de la herramienta. ............................................................... 94

4.10 Obtención del codigo CNC ......................................................................... 96

Conclusiones parciales: ..................................................................................... 98

Conclusiones generales ........................................................................................ 99

Recomendaciones: .............................................................................................. 100

Bibliografía: ......................................................................................................... 101

Page 12: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

IX

Índice de Figuras

No.

Figura

Nombre de la Figura No.

Página

1.1 Moldeo por extrusión 7

1.2 Inflado (Extrusión de film tubular) 8

1.3 Moldeo por Compresión 8

1.4 Rotomoldeo 9

1.5 Calandrado 10

1.6 Termoformado al vacío 11

1.7 Termoformado a presión 11

1.8 Termoformado mecánico 11

1.9 Soplado 12

1.10 Soplado (Insuflación) 12

1.11 Moldeo por inyección. 14

1.12 Cierre del molde 15

1.13 Inyección 15

1.14 Presión de sostenimiento. 16

1.15 Carga del material. 16

1.16 Extracción 16

1.17 Esquema para realizar la simulación. 23

1.18 Esquema para el diseño de moldes 24

1.19 Esquema para realizar el macanizado. 24

2.1 Descripción de la pieza 26

2.2 Creación de la malla 27

2.3 Vista mallado sólido. 27

2.4 Seleccionar el tipo de polímero. 28

2.5 Base de datos de plásticos. 28

2.6 Añadir material definido por el usuario. 29

2.7 Administrador del polímero. 29

2.8 Base de datos de moldes. 30

2.9 Material del molde. 30

2.10 Ajustes de llenado. 31

2.11 Parámetros del proceso de llenado 31

2.12 Ajustes de empaquetado 32

2.13 Parámetros del proceso de empaquetado. 32

2.14 Ajustes de deformación. 32

2.15 Parámetros de deformación. 32

2.16 Punto de inyección. 33

2.17 U Ubicación del punto de inyección. 33

2.18 Fuerza de cierre 34

2.19 Seleccionar la dirección de la fuerza 34

Page 13: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

X

2.20 Temperatura pared del molde 34

2.21 Seleccionar temperatura 34

2.22 Elemento canal de colada 35

2.23 Seleccionar elementos de colada. 35

2.24 Cara de simetría 35

2.25 Seleccionar caras de simetría. 35

2.26 Canales calientes prellenados 36

2.27 Seleccionar canales de colada y temperatura. 36

2.28 Respiraderos 37

2.29 Seleccionar los puntos de respiradero. 37

2.30 Especificar ubicación de respiraderos 37

2.31 Condiciones límites de deformación. 38

2.32 Aplicar plano de límite de deformación. 38

2.33 Ejecutar simulación 38

2.34 Resultados 38

2.35 Tiempo de llenado 39

2.36 Presión al final del llenado. 39

2.37 Temperatura central de frente de flujo 40

2.38 Temperatura al final del llenado 40

2.39 Tasa de cizalla al final del llenado 41

2.40 Tensiones de cizalla al final del llenado 41

2.41 Aumento de temperatura al final del llenado 42

2.42 Contracción del volumen al final del llenado. 42

2.43 Tiempo de solidificación al final del llenado 43

2.44 Tiempo de refrigeración 43

2.45 Temperatura al final del refrigerado 44

2.46 Rechupes 44

2.47 Contribución al llenado por punto de inyección 45

2.48 Facilidad de llenado 45

2.49 Región solidificada al final del llenado 46

2.50 Líneas de soldadura 46

2.51 Atrapamientos de aire. 47

3.1 Escala. 49

3.2 Parámetros de escala 49

3.3 Línea de separación 49

3.4 Parámetros para ubicar la línea de separación. 50

3.5 Análisis del ángulo de salida 50

3.6 Aristas de la línea de separación 50

3.7 Crear superficies desconectadas. 51

3.8 Seleccionar arista de la superficie desconectada. 51

3.9 Superficie de separación 51

3.10 Seleccionar la línea de separación. 52

Page 14: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

XI

3.11 Núcleo/Cavidad 52

3.12 Croquis Núcleo/Cavidad 53

3.13 Dimensionar el bloque del Núcleo/Cavidad. 53

3.14 Núcleo/Cavidad creados. 54

3.15 Seleccionar Herramienta Mover/Copiar. 54

3.16 Mover sólido 54

3.17 Núcleo/Cavidad separados 55

3.18 Núcleo 55

3.19 Cavidad. 55

3.20 Insertar sólido en una nueva pieza 56

3.21 Elemento tipo molde cuadrado 57

3.22 Selección de tipo de molde. 57

3.23 Cambiar tamaño del molde 58

3.24 Elección del tamaño del molde 58

3.25 Placa base 59

3.26 Placa porta cavidad 59

3.27 Placa porta núcleo 60

3.28 Placa de respaldo de la placa porta núcleo. 60

3.29 Regles 61

3.30 Grupo expulsor 61

3.31 Placa de fijación móvil 62

3.32 Bebedero 62

3.33 Expulsores 63

3.34 Exportar geometría 63

3.35 Asociar sistema DAO 64

3.36 Molde seleccionado del catálogo HASCO. 64

3.37 Placa base 65

3.38 Placa porta cavidad 66

3.39 Placa porta macho 66

3.40 Placa de respaldo 67

3.41 Regles 67

3.42 Conjunto expulsor (HASCO) 68

3.43 Conjunto expulsor (Modificada) 68

3.44 Placa de sujeción del lado móvil 69

3.45 Disco centrador 69

3.46 Bebedero 70

3.47 Expulsor (HASCO) 70

3.48 Expulsor (Modificado) 70

3.49 Inserto de la cavidad 71

3.50 Inserto del núcleo 71

3.51 Macho cilíndrico 72

3.52 Vista frontal del inserto de la cavidad. 73

Page 15: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

XII

3.53 Vista superior del inserto de la cavidad 73

3.54 Vista superior del inserto del núcleo 74

3.55 Vista frontal del inserto del núcleo 74

3.56 Serpentín de refrigeración 74

3.57 Disposición de los canales de alimentación 75

3.58 Canales de alimentación de la placa porta cavidad 75

3.59 Canales de alimentación de la placa porta núcleo 75

3.60 Vista traslúcida de los canales de alimentación 76

4.1 Definir máquina herramienta 78

4.2 Seleccionar máquina CNC 78

4.3 Seleccionar torreta de herramientas 79

4.4 Seleccionar postprocesador 80

4.5 Definir sistema de coordenadas 80

4.6 Seleccionar sistema de coordenadas 81

4.7 Herramienta de definición de tochos 81

4.8 Definir tocho 82

4.9 Editar definición del plano de trabajo 82

4.10 Insertar plano de trabajo 82

4.11 Agregar rasgo MultiSuperficie 83

4.12 Seleccionar superficie 83

4.13 Seleccionar rasgo 2.5 ejes 84

4.14 Seleccionar entidades 84

4.15 Condición final 84

4.16 Contorno inferior 84

4.17 Insertar operación de contorneado 85

4.18 Añadir herramienta y rasgos para contorneado 85

4.19 Añadir operación Desbaste Área 86

4.20 Añadir herramienta y rasgo para Desbaste Área 86

4.21 Añadir operación Proyección Patrón 87

4.22 Añadir herramienta y rasgo MultiSuperficie 87

4.23 Agragar área a contener 88

4.24 Seleccionar área a contener 88

4.25 Selección de la herramienta y área a evitar 89

4.26 Agregar área a evitar. 89

4.27 Catálogo de la herramienta 90

4.28 Parámetros de maquinado (avance y giro) 91

4.29 Parámetros de maquinado (Contorneado 91

4.30 Parámetros de maquinado (Desbaste) 92

4.31 Parámetros de maquinado (Acabado) 92

4.32 Generar camino de la herramienta 93

4.33 Contorneado 93

4.34 Desbaste 93

Page 16: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

XIII

4.35 Proyección patrón 1 93

4.36 Proyección patrón 2 93

4.37 Ejecutar simulación 94

4.38 Opciones de simulación 94

4.39 Desbaste 94

4.40 Contorneado 94

4.41 Proyección patrón 1. 95

4.42 Proyección patrón 2. 95

4.43 Mostrar diferencias 95

4.44 Ejecutar postprocesado 96

4.45 Generar código. 96

4.46 Inicio del programa y llamada de la primera herramienta 96

4.47 Cambio de herramienta 1 97

4.48 Cambio de herramienta 2 97

4.49 Fin de programa 97

Page 17: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

XIV

Índice de Tablas

No.

Tablas

Nombre de la tabla No.

Página

1.1 Materiales más utilizados por el método de inyección 5

2.1 Detalles de la malla 27

Page 18: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

XV

Lista de abreviaturas y siglas

EMI Empresa Militar Industrial

INPUD Industria Nacional Productora de Utensilios Domésticos

CNC Control Numérico Computarizado

PP Polipropileno

CAD Computer Aided Design (Diseño Asistido por Computadora)

CAE Computer Aided Engineering (Ingeniería Asistida por Computadora)

CAM Computer-Aided Manufacturing (Manufactura Asistida por

Computadora)

PVC Policloruro de vinilo

PE Poliolefinas

PC Policarbonato

PET Polietileno Tereftalato

PS Poliestireno

LDPE Low Density Polyetylene (Polietileno de baja densidad )

Page 19: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

1

Introducción

Plásticos es una palabra que deriva del griego “plastikos” que significa “capaz

de ser moldeado”; sin embargo, esta definición no es suficiente para describir de

forma clara la gran variedad de materiales que así se denominan. Técnicamente

los plásticos son sustancias de origen orgánico formado por largas cadenas

macromoleculares que contienen en su estructura carbono e hidrógeno

principalmente y se obtienen mediante reacciones químicas entre diferentes

materias primas de origen sintético o natural, siendo posible moldearlos mediante

procesos de transformación, aplicando calor y presión.(Monroy and Vicente, 2010)

Sus propiedades y bajo coste han convertido a los plásticos en un material familiar

e imprescindible en nuestros días. El desarrollo alcanzado en las últimas décadas

ha mejorado la calidad de nuestras vidas, aunque se hayan producido algunos

efectos negativos como el fuerte crecimiento de sus residuos. Los plásticos, que se

desarrollaron inicialmente como productos alternativos, se han convertido hoy día

en materiales insustituibles en determinadas aplicaciones gracias, como se decía,

a su bajo coste y sus buenas propiedades de ligereza y resistencia, también a que

son inertes, versátiles, aislantes, duraderos, moldeables, estéticos, etc. Todo ello

permite que puedan encontrarse tipos de plásticos adecuados para cada

aplicación.(Caballero, 2010)

El diseño de moldes de inyección ha alcanzado una elevada complejidad a lo largo

de los últimos años, debido fundamentalmente a la fabricación de piezas con formas

cada vez más complejas y tamaños de serie muy variables y, por otro lado, a la

incorporación sobre los moldes de multitud de nuevos elementos que buscan reducir

los tiempos de proceso a través del aumento de su grado de automatización.

(Paramio, 2000)

Desde la década de 1980, tres instrumentos han revolucionado el tratamiento de

diseño en el mundo de la industria: CAD, CAE y CAM. En estas técnicas se eliminan

prácticamente las tareas de dibujo y cálculo manual, gracias a lo cual diseñadores

y fabricantes cometen menos errores en los diseños de la pieza, la selección del

material y las configuraciones de las herramientas. (Richardson y Lokensgard,

2000) citado en (Candal, 2005)

La sistematización del proceso de diseño y manufactura de artículos plásticos y moldes de inyección mediante el empleo de herramientas de computación ha facilitado enormemente la larga y tediosa fase del proceso de obtención de una pieza. Con estos programas para diseño de piezas y moldes se pueden verificar aspectos relacionados con el ensamblaje y el acabado final de los mismos, mientras que con los programas de simulación de procesos se conocerá su factibilidad utilizando el diseño previamente elaborado. De esta forma, después de alcanzadas las condiciones adecuadas, se puede obtener el molde y, posteriormente, la pieza, a través del uso de máquinas de control numérico (CNC) para mecanizado y máquinas de inyección controladas por medio de programas de manufactura

Page 20: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

2

asistida por computadora (CAM). El uso de estas herramientas ha permitido reducir el tiempo y el dinero necesario, ya que muchos errores que manualmente se cometían, actualmente se pueden eliminar con las herramientas computacionales. (Bernhardt, 1983) citado en (Candal, 2005)

Considerando las dos fases de la construcción de un molde, diseño y fabricación, la

creciente complejidad del molde afecta en mayor medida al tiempo empleado en la

fase de diseño ya que, si bien se han experimentado notables avances en procesos

de fabricación (sistemas CAD/CAM, mecanizado por control numérico, utilización

de elementos normalizados, etc.), no son tan destacables las herramientas

específicas de diseño. Actualmente es conveniente mejorar las herramientas

específicas de diseño del molde que permitan reducir el tiempo empleado en la fase

conceptual de creación del molde.

En la actualidad, la industria mecánica del país se encuentra en un proceso de renovación de su equipamiento tecnológico para un crecimiento en la industria del plástico, en ese sentido, la Industria Nacional Productora de Utensilios Domésticos (INPUD) 1ro de Mayo, la empresa del plástico perteneciente a la EMI "Ernesto Che Guevara" Unidad Batalla de Santa Clara, entre otras de la región central han experimentado un crecimiento en la fabricación de productos plásticos, llevándose a cabo una implementación de nuevas tecnologías, con la modernización de las máquinas de inyección de plásticos, la sustitución de tornos y fresadoras convencionales por otros de control numérico (CNC) y centros de maquinado capaces de fabricar geometrías muy complejas, imposibles con las antiguas máquinas herramientas. Todo esto ha hecho que los diseñadores se vean en la necesidad de implementar con mayor fuerza las herramientas CAD/CAE/CAM para la fabricación de moldes de inyección de plásticos con la calidad requerida. En el mundo son muchos los tecnólogos que utilizan las herramientas CAD/CAE/CAM para la obtención de moldes de inyección de plásticos con el mínimo de errores. En el caso de la Facultad de Ingeniería Mecánica e Industrial de la Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas, se reportan desde hace varios años investigaciones relacionadas con el tema, algunas de ellas:

Título: Metodología para el diseño de placas porta cavidad de moldes de inyección de plásticos de una cavidad. Autor: Noelvis González Rozón (Rozón, 2015).

Título: Diseño y simulación del molde para inyección de plástico de una prótesis interna de rodilla. Autor: Ángel Joaquín Cabrera Pérez (Pérez, 2016).

Título: Simulación de defectos en piezas obtenidas en moldes de inyección de plásticos. Autor: Luis Gabriel Torres García (Garcia, 2016).

Título: Diseño de molde para inyección de plásticos de la cubierta del ventilador de pedestal utilizando herramientas CAD/CAE/CAM. Autores: David y Daniel Santis Soto (Soto and Soto, 2017).

También se utilizan estas herramientas en las asignaturas Temas Avanzados de Conformación de Materiales, Temas Avanzados de Fabricación, Fabricación

Page 21: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

3

Asistida por computadoras (CAM), y Maquinas Herramientas con CNC del pregrado y postgrado de la facultad.

Sin embargo, según la literatura revisada y los resultados investigativos sobre el tema, no existe en el país la fundamentación teórica para un manual que guíe a los estudiantes, diseñadores y tecnólogos en la fabricación de moldes de inyección de plásticos con el uso de herramientas CAD/CAE/CAM, lo que define el Problema Científico de esta investigación.

Hipótesis de investigación. Con el análisis de la bibliografía actual, la consulta a diseñadores y tecnólogos, es posible obtener información teórica sobre el uso de las herramientas CAD/CAE/CAM para fabricar moldes de inyección de plásticos como paso previo a la confección de un manual de diseño.

Para lograr lo anterior, se propone como Objetivo General: Recopilar y organizar el conocimiento sobre la fabricación de moldes de inyección de plásticos con el uso de herramientas CAD/CAE/CAM, para un manual de diseño que guíe a los estudiantes diseñadores y tecnólogos. Objetivos específicos 1. Recopilar a través de una búsqueda bibliográfica los conocimientos sobre la fabricación de moldes de inyección de plásticos con el uso de herramientas CAD/CAE/CAM. 2. Organizar el conocimiento sobre el diseño de moldes de inyección de plásticos con el uso del SolidWorks y sus herramientas para la simulación y obtención de la estrategia de maquinado. El trabajo consta de un resumen, introducción, cuatro capítulos, así como conclusiones, recomendaciones y bibliografía. Capítulo I: Revisión bibliográfica acerca del proceso de obtención de piezas plásticas y el uso de herramientas CAD/CAE/CAM para la fabricación de moldes de inyección de plásticos. Capítulo II: Secuencia de pasos para la simulación del llenado de la cavidad del molde utilizando el SolidWorks Plastics. Capítulo III: Procedimiento para el diseño de moldes de inyección con el SolidWorks. Capítulo IV: Estrategia de maquinado y obtención del programa CNC con el CAMWorks.

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Capítulo I. Marco teórico referencial

1.1 Generalidades sobre el plástico.

Los plásticos son materiales relativamente nuevos, pero indispensables en

diferentes ámbitos de nuestras vidas, que van desde la medicina al hogar, pasando

por las industrias más diversas (mecánica industrial, automoción. electricidad,

electrónica, textil...).

En cualquier época de la historia de la humanidad, el hombre se ha preocupado por

encontrar, junto a los materiales que ofrece la naturaleza, otros nuevos, ajustados

a las necesidades del momento. Los materiales plásticos aparecen mediado el siglo

XIX, en una época en la que la ciencia y la tecnología experimentan un auge y

esplendor sorprendentes.

Hoy día han aparecido muchos y variados tipos de plásticos desde que, allá por

1862, Alexander Parkers, desarrollase el parkesine. Hoy no podemos imaginar

nuestro entorno (sea el laboral o el doméstico) sin los plásticos. Éstos están

presentes en el acondicionamiento interior doméstico (suelos, pulimentos,

superficies), el mobiliario (mesas, sillas, armarios), los utensilios (envases, bolsas),

artículos sanitarios y de viaje, juguetes, objetos de regalo, máquinas y mobiliario de

oficina, accesorios del automóvil y partes de su estructura, el deporte y el ocio en

general, la agricultura, etc.

Por todo lo expuesto, se puede afirmar que los plásticos ocupan, y seguirán

ocupando un papel decisivo en nuestras vidas. Por todas las facilidades productivas

y las velocidades de fabricación se puede decir también que la industria del plástico

está en un gran crecimiento, de ahí la importancia del estudio de esta relativamente

nueva tecnología.

1.2 Clasificación de los plásticos.

La clasificación de los plásticos está definida por las propiedades físicas y químicas

de las resinas que los constituyen, existen dos grupos principales: los termoplásticos

y los termofijos. Su clasificación se basa por su capacidad para volver a ser fundidos

mediante el uso de calor.

Los termoplásticos son resinas con una estructura molecular lineal que durante el

moldeo en caliente no sufren ninguna modificación química, además la acción del

calor causa que estas resinas se fundan, solidificándose rápidamente por

enfriamiento de aire o al contacto con las paredes del molde.

Las resinas termofijas pueden ser fundidas una sola vez. (Esta es la principal

diferencia de los plásticos termofijos y termoplásticos), estas resinas bajo la acción

del calor se funden inicialmente, pero si se continúa aplicando calor, experimentan

un cambio químico irreversible, el cual provoca que las resinas se tornen infusibles

Page 23: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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(no se plastifiquen) e insolubles. La tabla 1.1 muestra las principales resinas

utilizadas en la industria de la inyección del plástico.(Ortega, 2007)

Tabla 1.1 Materiales más utilizados por el método de inyección.

1.3 Moldeo de plásticos.

En realidad, el origen del moldeo de plástico se remonta al método de

procesamiento de los materiales naturales de macromoléculas tales como; laca,

cola, goma laca (shellac), ámbar y asfalto, o bien los materiales inorgánicos como

arcilla, vidrio y metal. Sin embargo, varía la propiedad de los materiales naturales,

en particular los de macromoléculas, resultando no favorables para la producción

en serie, por lo que existían desde la etapa temprana deseos de procesar material

de buena calidad en forma fácil. De esta manera se inició el desarrollo de los

materiales artificiales en base a los naturales de macromoléculas, como son el

celuloide, caucho vulcanizada, bonita y seda artificial.

Una patente de 1851 documenta los tempranos intentos en los que se calentaba

caucho y se conformaba contra un molde rasante mediante presión interna. Por

aquella época se desconocían los modernos termoplásticos utilizados en el proceso

de soplado, y el celuloide y el caucho eran los principales materiales empleados

para producir artículos industriales y juguetes.

Page 24: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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Surgieron los principales materiales plásticos a la primera mitad del siglo XX; por

ejemplo, unos años después de la producción industrial de la resina fenólica,

apareció la resina de cloruro vinílico (PVC) y un poco después de éste inició la

producción de la resina de tipo estireno.(Kandt, 1999)

1.4 Procesos de manufactura para la fabricación de piezas plásticas.

Un proceso es una serie de acciones o actividades realizadas con el objetivo de

obtener un resultado, las cuales se llevan a cabo de acuerdo a

estándares/parámetros universalmente establecidos o regulaciones propias de una

empresa.

Los procesos de manufactura hacen referencia a la transformación de diferentes

materias primas a través de varios procesos, añadiendo a la materia prima valor

agregado con la finalidad de obtener un producto.

En los procesos para polímeros termoplásticos se desarrollan tres etapas

fundamentales; en la primera, el polímero es llevado a su estado elasto-plástico

mediante el incremento de su energía que puede ser por suministro de energía

térmica, trabajo mecánico o mediante una reacción química para de esta manera,

obtener una condición favorable para su manipulación; en la segunda etapa, el

polímero se hace fluir por presión, ya sea a través o dentro de una cavidad con el

diseño previsto; y finalmente, en la tercera etapa; se procura fijar la forma adquirida

disminuyendo el contenido de energía de la masa del polímero, mediante

enfriamiento del polímero por refrigeración.(Reyes et al., 2013)

Los principales procesos de manufactura para la fabricación de piezas plásticas son:

1. Moldeo por Extrusión

Soplado

Inflado

2. Moldeo por Compresión

3. Rotomoldeo

4. Calandrado

5. Termoformado

Presión

Vacío

Mecánico

6. Moldeo por Inyección

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1.4.1 Moldeo por extrusión.

En el moldeo por extrusión se utiliza un transportador de tornillo helicoidal en el cual

ocurren diferentes procesos que son el de cargar, transportar, fundir y homogenizar

la mezcla del polímero. El polímero es transportado desde la zona de alimentación

(la tolva), a través de la cámara de calentamiento, hasta la boca de descarga, en

una corriente continua. La presión de bombeo de la unidad de potencia depende del

tipo de polímero fundido, el perfil de temperatura y el flujo másico deseado. La

mezcla homogénea se debe hacer pasar por filtros para evitar cualquier

contaminación por arena, metales, etc. Una vez que el material ha sido extruido por

una boquilla predefinida, pasa por la zona de enfriamiento y dependiendo del

polímero extruido es el tipo de refrigeración que se debe de emplear. (Reyes et al.,

2013)

Ejemplo: Proceso utilizado en la fabricación de cables eléctricos, tuberías, etc.

Figura 1.1 Moldeo por extrusión

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1.4.2 Inflado (Extrusión de film tubular).

La extrusión por inflado es posterior al proceso de extrusión previamente descrito.

Se bombea aire después de la boquilla (dado) de la máquina extrusora que sirve

para expandir el material y a su vez enfriarlo.

Se emplea en la fabricación de bolsas polietileno de baja densidad.

Figura 1.2 Inflado (Extrusión de film tubular)

1.4.3 Moldeo por Compresión.

Este método es empleado mediante una prensa que aplica presión en moldes que

contienen la forma de la pieza a fabricar. El material es vertido en los moldes, se

cierra el molde y se aplica calor, el material se deja curar para que se fragüe el

material y adquiera la forma del molde. El calor aplicado oscila entre los 110°-160°

C y la presión aplicada va en rangos desde los 150-1000 psi y el tiempo de curado

va de 1 a 5 min. Las cadenas del polímero se entrecruzan rápidamente y el plástico

se endurece tomando su forma permanente, pudiendo ser retirado del molde.

Figura 1.3 Moldeo por Compresión

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1.4.4 Rotomoldeo.

El moldeo rotacional o rotomoldeo es el proceso de transformación del plástico

empleado para producir piezas huecas, en el que el plástico en polvo o líquido se

vierte dentro de un molde, luego se hace girar en dos ejes biaxiales mientras se

calienta. El plástico se va fundiendo mientras se distribuye y adhiere en toda la

superficie interna. Finalmente, el molde se enfría para permitir la extracción de la

pieza terminada. Se utiliza para elaborar piezas de PE y PC. Dependiendo del

material y el tamaño de la pieza a manufacturar es el tiempo de enfriamiento que se

necesita para que la pieza adquiera su forma final. Existen distintos moldes para

rotomoldeo que se puede emplear a llama abierta o con hornos. La temperatura de

operación de los hornos para la fundición del material es de aproximadamente 320

°C y el tiempo de enfriamiento es de 5 a 15 min.

Figura 1.4 Rotomoldeo

Page 28: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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1.4.5 Calandrado.

En el proceso de calandrado el material se hace pasar por diferentes rodillos

cilíndricos que reducen el espesor de las láminas. El calandrado sirve para la

fabricación de láminas partiendo de formas de plástico en bruto (termoplástico o

elastómero) o bien por una cinta extruida la cual la extrusora está dispuesta

directamente en la alimentación de la calandria. El tipo de producto que se obtiene

consiste en una película de plástico de pequeño espesor. El acabado de las láminas

se obtiene mediante el control de 2 variables, el acabado de los rodillos y la

temperatura de los mismos. Si la temperatura es alta el acabado superficial es mejor

y se evitan imperfecciones. Ejemplo: Se emplea para la elaboración del caucho de

los neumáticos.

Figura 1.5 Calandrado

1.4.6 Termoformado.

El proceso de termoformado se comprime una lámina de resina termoplástica

ablandada por el calor contra un molde frío. La lamina de PVC, PC, PS etc. toma y

conserva la forma del molde.

Termoformado al vacío.

La lámina plástica se ablanda por calentamiento por radiación y después se coloca

sobre la cavidad de un molde cóncavo, donde el vacío atrae la lámina hacia la

cavidad. El plástico se endurece al contacto con la superficie fría del molde, la parte

moldeada se retira y luego se recorta la hoja.

Page 29: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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Figura 1.6 Termoformado al vacío

Termoformado a presión.

Esta modalidad de termoformado involucra aire con presión positiva para forzar la

lámina de plástico caliente dentro de la cavidad del molde.

Figura 1.7 Termoformado a presión

Termoformado mecánico.

Este proceso usa un par de moldes (macho y hembra) que se aplican contra la

lámina de plástico caliente, forzándola a asumir su forma.

Figura 1.8 Termoformado mecánico

Page 30: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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1.4.7 Soplado (Insuflación).

El proceso de inyección por soplado ocurre en dos procesos diferentes. En el primer

proceso, ocurre una inyección convencional que permite obtener una forma previa

denominada "preforma". Posteriormente la preforma se sopla para que adquiera su

forma final insuflando aire para después enfriarse y retirarla del molde. El proceso

a partir de la preforma consta de unos cuantos segundos. Existen residuos debido

a una incorrecta homogeneización del material o debido a variables como la presión

de inflado la cual varía de las 1.5-3 veces la cantidad de aire del volumen final de la

pieza. Este método es empleado para la fabricación de botellas o piezas huecas

hechas de PET, LDPE, etc.

Figura 1.9 Soplado

Otro ejemplo de soplado es el siguiente:

Una vez extruido el material, se coloca en un molde con la forma de la pieza a

elaborar y se inyecta aire para que el material se adapte a la forma del molde.

Posteriormente el material excedente es retirado con otro proceso y es reutilizado

como materia prima para la elaboración de más piezas. Ejemplo: empleado para

elaborar tanques limpia parabrisas.(Reyes et al., 2013)

Figura 1.10 Soplado (Insuflación)

Page 31: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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1.4.8 Moldeo por inyección.

Historia.

En la actualidad, es muy común encontrar diferentes tipos de objetos y artículos de

gran variedad de usos que son de materiales plásticos, en una infinidad de formas

y tamaños. Cada día alcanzan mayor protagonismo, tanto en el uso industrial como

en el doméstico, sobre todo los obtenidos mediante procesos de inyección.

El inicio de la utilización del proceso de inyección data con exactitud del año de

1872, cuando J. W. Hyatt resolvió el problema de plastificar y conformar una mezcla

de nitrocelulosa y alcanfor con su "máquina de empaquetar", y fue en 1878 cuando

fabrica aquel que es posible considerar como el primer molde de inyección, siendo

esto un paso primordial en el proceso de transformación por medio de la inyección

del plástico.

A partir de 1921, año en que Eichengrun y H. Buchholz patentaron lo que se

considera la primera moldeadora moderna (Máquina de inyección) en la que el

celuloide pasaba a un estado líquido antes de ser introducida bajo presión hacia el

interior del molde, comienza el inicio de la era de la inyección del plástico, aunque

este equipo tenía muchos problemas en el control de la temperatura y en el proceso

en general, unido a la falta de moldes para ser utilizados en esta máquina.

El primer molde comercial de inyección fue hecho en Alemania en 1926 por Eckert

y Ziegler: lo patentaron con él número 495362, y era un molde horizontal

incorporado a una máquina, en el cual el molde era guiado por aire a presión, con

la mitad fija en una placa móvil. La industria de los plásticos pasó de nivel artesanal

al ámbito de la producción industrial, con ciclos rápidos de producción para esos

tiempos.

En 1935, la firma alemana Franz Brawn A.G. presentó un compresor con inyección

automática, dando así un gran avance en los equipos de inyección, trayendo como

consecuencia la exigencia del desarrollo de moldes más rápidos y eficientes.

La fabricación de moldes y máquinas de inyección de plásticos a partir de la década

de los 70 acelera su crecimiento en países desarrollados. En el caso de los moldes

de inyección, la utilización de máquinas herramientas convencionales con una

capacidad de maquinado con tolerancias más estrechas trajo consigo la fabricación

de moldes cada vez más exactos logrando con ello la sustitución de piezas

metálicas, vidrio, cerámica y madera, por piezas plásticas logrando así una incursión

rápida en la industria automotriz y electrónica, al cumplir con especificaciones

técnicas cada vez más rigurosas.

Aunque los moldes de inyección eran cada vez más exactos los tiempos de

desarrollo y maquinado eran largos, por lo cual el contar con sistemas de

manufactura más modernos era una prioridad.

Page 32: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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Con la llegada de los sistemas CAD/CAM y herramentales más modernos estos

tiempos de desarrollo y manufactura fueron disminuyendo logrando así que las

piezas de plástico incursionaran más rápidamente en el mercado, con una calidad

mayor y a un menor precio.

Todos estos aspectos históricos son los que determinaron la evolución de la

Industria plástica y sus aportaciones más importantes en el contexto mundial se han

podido ver en los últimos 20 años.(Ortega, 2007)

Descripción del proceso:

El proceso de moldeo por inyección es mediante un émbolo o pistón de inyección

que se mueve rápidamente hacia adelante y hacia atrás para empujar el plástico

ablandado por el calor a través del espacio existente entre las paredes del cilindro

y una pieza recalentada hacia un molde.

Figura 1.11 Moldeo por inyección.

Las máquinas empleadas en la inyección de plásticos, están conformadas de 3

módulos principales:

1. La unidad de inyección o plastificación. La unidad de inyección plastifica e

inyecta el polímero fundido.

2. La unidad de cierre. Soporta el molde, lo abre y lo cierra además de contener

el sistema de expulsión de la pieza.

3. La unidad de control. Es donde se establecen, monitorean y controlan todos

los parámetros del proceso: tiempos, temperaturas, presiones y velocidades.

El proceso de obtención de una pieza de plástico por inyección, sigue un orden de

operaciones que se repite para cada una de las piezas. Este orden, conocido como

ciclo de inyección, se puede dividir en las siguientes seis etapas:

Page 33: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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1. Cierre del molde

2. Inyección: Fase de llenado y de mantenimiento

3. Plastificación

4. Enfriamiento

5. Apertura y expulsión de la pieza

6. Cierre y reinicio del ciclo.

La descripción del proceso de inyección se muestra a continuación:

Se cierra el molde vacío, mientras se tiene lista la cantidad de material fundido para

inyectar dentro del barril. El molde se cierra en tres pasos: primero con alta velocidad

y baja presión, luego se disminuye la velocidad y se mantiene la baja presión hasta

que las dos partes del molde hacen contacto, finalmente se aplica la presión

necesaria para alcanzar la fuerza de cierre querida.

Figura 1.12 Cierre del molde

El tornillo inyecta el material, actuando como pistón, sin girar, forzando el material a

pasar a través de la boquilla hacia las cavidades del molde con una determinada

presión de inyección.

Figura 1.13 Inyección

Al terminar de inyectar el material, se mantiene el tornillo adelante aplicando una

presión de sostenimiento antes de que se solidifique, con el fin de contrarrestar la

contracción de la pieza durante el enfriamiento. La presión de sostenimiento,

usualmente, es menor que la de inyección y se mantiene hasta que la pieza

comienza a solidificarse.

Page 34: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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Figura 1.14 Presión de sostenimiento.

El tornillo gira haciendo circular los gránulos de plástico desde la tolva y

plastificándolos. El material fundido es suministrado hacia la parte delantera del

tornillo, donde se desarrolla una presión contra la boquilla cerrada, obligando al

tornillo a retroceder hasta que se acumula el material requerido para la inyección.

Figura 1.15 Carga del material.

El material dentro del molde se continúa enfriando en donde el calor es disipado por

el fluido refrigerante. Una vez terminado el tiempo de enfriamiento, la parte móvil

del molde se abre y la pieza es extraída.

Figura 1.16 Extracción

El molde cierra y se reinicia el ciclo. (Reyes et al., 2013)

Page 35: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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1.5 Las herramientas CAD/CAE/CAM en el diseño de moldes.

La automatización de los procesos industriales a través de los años ha dado lugar

a un avance espectacular de la industria. Todo ello ha sido posible gracias a una

serie de factores entre los que se encuentran las nuevas tecnologías en el campo

mecánico, la introducción de los computadores, y sobre todo el control y la

regulación de sistemas y procesos. La incorporación de los computadores en la

producción es, sin lugar a dudas, el elemento puente que está permitiendo lograr la

automatización integral de los procesos industriales.

La aparición de la microelectrónica y de los microprocesadores ha facilitado el

desarrollo de técnicas de control complejas, la robotización, la implementación de

sistemas de gobierno y la planificación.

Todos estos elementos llevan consigo la reducción de costos, el aumento de la

productividad y la mejora de calidad del producto. Estas siglas provienen de su

denominación en inglés. Para el diseño se usa el C.A.D. (Computer Aided Design),

mientras que para la fabricación se emplea el C.A.M. (Computer Aided

Manufacturing) y para simular desempeño el CAE (Computer Aided Engineering)

1.5.1 Diseño asistido por computadora.

Computer Aided Design (CAD) es la denominación que se le otorga al uso de

herramientas informáticas destinadas a crear representaciones gráficas de objetos

físicos tanto en 2D como en 3D. Los softwares CAD pueden tener aplicaciones

específicas acordes a los requerimientos de los diseñadores. Se utilizan en

procesos de ingeniería desde el diseño conceptual hasta el layout de productos.

Estos programas permiten analizar interactivamente las variantes para encontrar el

diseño óptimo para la manufactura y así minimizar el uso de prototipos físicos.

Beneficios del CAD.

Menores costos de desarrollo de productos, aumento de la productividad,

mejora en la calidad del producto y un menor tiempo de lanzamiento al

Mercado.

Mejor visualización del producto final, los sub-ensambles parciales y los

componentes en un sistema CAD agilizan el proceso de diseño.

El software CAD ofrece gran exactitud de forma que reduce los errores.

Brinda una documentación más sencilla y robusta del diseño, incluyendo

geometría, dimensiones, lista de materiales, etc.

Permite una reutilización sencilla de diseños de datos y mejores prácticas.

Algunos ejemplos de softwares disponibles son los siguientes:

CADDS: Incorpora un módulo de diseño de moldes denominado DISMOL,

desarrollado por CIMTEK, que permite la disposición automática de

Page 36: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

18

elementos normalizados y realiza el análisis de posibles interferencias entre

elementos e incongruencias en los diseños.

PRO-ENGINEER (módulo PRO-MOLDESIGN): ofrece ciertas ayudas en

cuanto al diseño de la pieza, obtención de planos de partición en casos

elementales, ángulos de desmoldeo y análisis de interferencias, además de

una librería de elementos normalizados para moldes.

EUCLID: Matra Datavision (módulo MOLDMAKER): dispone de herramientas

de diseño de elementos constitutivos de la pieza moldeada: nervios,

refuerzos, chimeneas de alojamiento de tomillos, rejillas, etc., y una biblioteca

de elementos normalizados (DME, Hasco, Futaba, Regba, Rabourdin, EOC,

Strack), pero no tiene herramientas de decisión en la elección de estos

elementos.

CADDY: posee una librería de símbolos, según normativa DIN, de

aplicaciones de mecánica, electricidad, electrónica, arquitectura, etc., que

incluye elementos normalizados para moldes. Módulos desarrollados por

fabricantes de elementos normalizados. Son únicamente librerías o

catálogos electrónicos de elementos. Destacan: LOGIMOULE: (de la firma

Rabourdin), CAMold (de la firma DME), Hasco, y Normalizados A.C.

Autocad: es un software que ofrece modelación de productos en 2D y 3D útil

para ingeniería y diseño. Su desarrollo inteligente dibuja todo tipo de

bosquejo, disminuyendo tiempo y optimizando procesos.

Autodesk Inventor: es un sistema de diseño mecánico en entorno 3D,

construido con tecnología adaptativa y sólida capacidad de modelado.

Proporciona todas las herramientas necesarias para ejecutar proyectos de

diseño, desde el primer boceto hasta el dibujo final.

SolidWorks: es un software de automatización de diseño mecánico que

aprovecha la conocida interfaz de usuario gráfica Microsoft ® Windows. Esta

herramienta de fácil aprendizaje hace posible que los diseñadores mecánicos

croquicen con rapidez sus ideas, experimenten con operaciones y cotas, y

produzcan modelos y dibujos detallados.

1.5.2 Ingeniería asistida por computadora.

Computer Aided Engineering (CAE) es el uso de software computacional para

simular desempeño y así poder hacer mejoras a los diseños de productos o bien

apoyar a la resolución de problemas de ingeniería para una amplia gama de

industrias. Esto incluye la simulación, validación y optimización de productos,

procesos y herramientas de manufactura.

Un proceso típico de CAE incluye pasos de pre-procesado, solución y post-

procesado. En la fase de pre-procesado, los ingenieros modelan la geometría y las

propiedades físicas del diseño, así como el ambiente en forma de cargas y

restricciones aplicadas. En la fase de post-procesado, los resultados se presentan

al ingeniero para su revisión.

Page 37: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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Beneficios del CAE.

Los beneficios de software de tipo CAE incluyen reducción del tiempo y costo de desarrollo de productos, con mayor calidad y durabilidad.

Las decisiones sobre el diseño se toman con base en el impacto del desempeño del producto.

Los diseños pueden evaluarse y refinarse utilizando simulaciones computarizadas en lugar de hacer pruebas a prototipos físicos, ahorrando tiempo y dinero.

Brindan conocimientos sobre el desempeño en etapas tempranas del proceso de desarrollo, cuando los cambios al diseño son menos costosos de hacer.

Apoyan a los equipos de ingeniería a administrar riesgos y comprender las implicaciones en el desempeño de sus diseños.

La exposición de garantía es reducida al identificar y eliminar problemas potenciales. Integrado al producto y desarrollo de la manufactura, la ingeniería asistida por computadora puede facilitar desde etapas tempranas la resolución de problemas, lo que puede reducir dramáticamente los costos asociados al ciclo de vida del producto. (Andino and Paucar, 2009)

Softwares:

Moldflow: es una herramienta computacional que permite visualizar diferentes variables que se presentan durante el proceso de llenado de un molde de inyección de plástico. Este software permite conocer puntos críticos en el diseño de un componente plástico.

Femap: es un programa de simulación y análisis FEA, con pre y post proceso para estimar el desempeño en el desarrollo y diseño de productos. Con Femap se pueden diseñar y evaluar piezas, ensambles y sistemas complejos, revisar su comportamiento sometiéndolo a esfuerzos y dar respuesta a diversas situaciones, por ejemplo, predecir y mejorar el diseño de sistemas mecánicos, reducir el tiempo y costo de fabricación de prototipos, evaluar diferentes escenarios y materiales, optimizar los diseños para el mejor uso del material.

FLO EFD ENGINEERING FLOW DYNAMICS: Software de CFD de propósito general para simulación y análisis de flujo en fluidos y transferencia de calor. El programa está integrado con PROE, SOLIDWORKS, CATIA, NX, INVENTOR y elimina las interfaces numéricas de los cálculos haciéndolos más gráficos.

FLOW-3D Cast: es un software de simulación diseñado específicamente para modelado de procesos de fundición. El programa aporta a los ingenieros y diseñadores resultados altamente precisos de la dinámica del metal y la solidificación.

LS-DYNA: es un programa o código escalable que resuelve análisis dinámico CAE de modelos 3D por el método de elementos finitos, puede resolver problemas reales, modelos complejos no lineales, cuerpos rígidos, análisis térmico, de fluidos, de multi-fisica, además puede explotar multi- procesamiento para mejor de desempeño de cálculo.

SOLIDWORKS® Simulation: es un paquete de herramientas de análisis estructural fáciles de usar, que utilizan el método del análisis de elementos finitos (FEA) para predecir el comportamiento físico real de un producto, mediante la prueba virtual de modelos CAD. El paquete proporciona

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capacidades de análisis estáticos, lineales y no lineales, y de análisis dinámicos.

SolidWorks Plastics: es una potente herramienta de simulación de moldeo por inyección que le ayuda a optimizar piezas de plástico y moldes de inyección. Está completamente integrada con la aplicación SolidWorks.

1.5.3 Manufactura asistida por computadora.

Computer-Aided Manufacturing (CAM) hace referencia concretamente a aquellos

sistemas informáticos que ayudan a generar los programas de Control Numérico

necesarios para fabricar las piezas en máquinas con CNC.

A partir de la información de la geometría de la pieza, del tipo de operación deseada,

de la herramienta escogida y de las condiciones de corte definidas, el sistema

calcula las trayectorias de la herramienta para conseguir el mecanizado correcto, y

a través de un post procesado genera los correspondientes programas de CN con

la codificación específica del CNC donde se ejecutarán. En general, la información

geométrica de la pieza proviene de un sistema CAD, que puede estar o no integrado

con el sistema CAM. Si no está integrado, dicha información geométrica se pasa a

través de un formato común de intercambio gráfico. Como alternativa, algunos

sistemas CAM disponen de herramientas CAD que permiten al usuario introducir

directamente la geometría de la pieza, si bien en general no son tan ágiles como las

herramientas de un sistema propiamente relacionado con estos.

Beneficios del CAM.

Intervención mínima del operario, algo que revierte en un ahorro en costos de personal (aunque requerirá formación adicional) y una mayor seguridad (al intervenir menos en el funcionamiento mecánico de la máquina, se reduce el riesgo de accidentes).

Mayor precisión en la pieza terminada, ya que, al contar con la precisión del diseño CAD y de la ejecución del CAM, hay menos margen de error que haciéndolo de manera manual. Se pueden hacer trabajos complejos.

Menor desperdicio de material, al usar muchas veces sólo la cantidad justa y necesaria de materia prima en la ejecución del diseño, algo que también revierte en un mayor ahorro energético y por lo tanto económico y medioambiental.

Mayor flexibilidad en los proyectos, al permitir cambiar proyectos sólo cargando los cambios de un documento modificado con CAD.

Mayor automatización y rentabilidad, al ocasionar una mayor producción en

un tiempo menor, por requerir menos intervención del operario.

Algunos ejemplos son:

WorkNC: es un software de fabricación asistida por computadora

desarrollado por Sescoi para el mecanizado en 2, 2.5, 3, 3+2 y 5 ejes. Es

utilizado por más del 25% de empresas en países exigentes como Japón y

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21

se caracteriza por priorizar las funciones automáticas, la fiabilidad y la

facilidad de uso.

GibbsCAM: es un sistema CAM sólido de una sola interfaz para todas las

necesidades de programación de CNC. Desde un sencillo torneado y fresado

de 2 ejes a un complejo maquinado multitarea.

BOBCAD-CAM MILL Pro: es un software completo de diseño y manufactura

por computadora para ser utilizado en máquinas fresadoras, tornos, y electro

erosionado.

CATIA V5 Machining: ayuda a los programadores NC para planificar,

detallar, simular y optimizar sus actividades de maquinado. A través de una

estrecha integración de la simulación de la máquina con la definición de

trayectorias de herramientas, los programadores pueden identificar y resolver

problemas en las etapas anteriores del nivel de programación NC.

MasterCAM: Mastercam es el programa CAD/CAM más popular para

manufactura en máquinas de control numérico y centros de maquinado

CNC. El programa abarca la programación de fresadoras, centros de

maquinado, tornos, el módulo blade expert para alabes, electro

erosionadoras de corte por alambre, cortadoras por láser, oxicorte, routers, y

más. MasterCAM ofrece una gama de módulos para aplicaciones especiales,

también incluye módulos de modelado 3D con producción de dibujos 2D para

la preparación de la geometría 3D antes del CAM.

CAMWorks: es un programa de cómputo para manufactura, que diseña rutas

de maquinado para tornos y fresadoras de 2.5 a 5 ejes, usa modelos sólidos

CAD creados en SolidWorks. El manejo de CAMWorks es sencillo y contiene

operaciones de maquinado paramétrico, la simulación muestra la trayectoria

de la herramienta en el modelo en 3D real. Este software tiene una

certificación de máxima compatibilidad con SolidWorks y emplea su interfaz,

por lo que resulta muy fácil de aprender y utilizar.

Page 40: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

22

1.5.4 Diseño de moldes con SolidWorks.

SolidWorks ayuda a los diseñadores a desarrollar moldes más precisos, que ahorran tiempo y mejoran la rentabilidad. Con SolidWorks, no sólo se podrá definir la geometría de los moldes, sino que también se tendrá acceso a una gran gama de herramientas de diseño automatizado de moldes. Como resultado, se puede validar los aspectos más importantes de los diseños de moldes antes de enviarlos a producción, además de identificar automáticamente cortes sesgados, completar los núcleos laterales, verificar los ángulos de salida, definir las líneas de separación, crear superficies de partición y garantizar la durabilidad del molde. Con SolidWorks, se realizarán todas estas funciones dentro del mismo entorno familiar de modelado y elaboración de superficies, también, se tendrá acceso a bases de moldes y otros componentes estándar, así como la integración con aplicaciones de mecanizado CNC (control numérico computarizado).

SolidWorks proporciona un conjunto único de potentes herramientas de verificación y automatización de diseño específicas de los moldes para ayudar a superar los retos actuales de la creación de moldes y a fin de que se pueda desarrollar moldes de forma más rápida, precisa y económica. Los usuarios familiarizados con SolidWorks pueden utilizar estas herramientas integradas, que están disponibles sin ningún cargo adicional y sin tener que convertir ni archivos ni geometría (Dassault Systèmes SolidWorks Corp, 2018). Estas herramientas son:

SolidWorks Plastics: Solución CAE para la simulación del llenado de la cavidad del molde.

Herramienta de moldes de SolidWorks: Permite la obtención del Núcleo y la Cavidad del molde

CAMWorks: es una de las soluciones CAM considerada como la más avanzada disponible para el mecanizado de sólidos.

1.5.4.1 Simulación del llenado de la cavidad del molde

SolidWorks Plastics es una potente herramienta de simulación de moldeo por inyección que le ayuda a optimizar piezas de plástico y moldes de inyección. Está completamente integrada con la aplicación SolidWorks.

Al integrar SolidWorks Plastics en el ciclo de desarrollo del producto, se puede:

Prever defectos relacionados con la fabricación en piezas y moldes. Evitar el costoso reprocesado de los moldes. Reducir el tiempo de salida al mercado. Mejorar la calidad general de la pieza.

Page 41: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

23

Figura 1.17 Esquema para realizar la simulación.

1.5.4.2 Diseño del molde

Herramienta de moldes de SolidWorks

Con la herramienta de moldes de SolidWorks se puede crear, analizar y corregir deficiencias en modelos de piezas que se desean moldear, con una secuencia de herramientas integradas para controlar el proceso completo.

Con estas se consigue desde el análisis inicial hasta la creación de operaciones Núcleo/Cavidad. El resultado es una pieza multicuerpo que contiene sólidos independientes para la pieza moldeada, el núcleo, la cavidad y otros sólidos opcionales, como por ejemplo núcleos laterales. Los cambios en la pieza moldeada se reflejan automáticamente en los sólidos de moldeo.

Catálogo HASCO

La caja de moldes se seleccionará con la ayuda del catálogo HASCO ampliamente utilizado en la actualidad por los diseñadores en las industrias cubanas y extranjeras.

Dicho catálogo digital está incluido dentro de la norma DIN 2445 referente al moldeo de plásticos y es propiedad de las empresas alemanas de producción, tratamiento y conformación de materiales; fundamentalmente de polímeros: HASCO DAKO Universalmodul. Estas empresas son grandes proveedoras de tecnologías modernas para la transformación de resinas, dígase máquinas de extrusión compresión e inyección, moldes prefabricados y una variada gama de dispositivos y equipos perteneciente a los principales procesos tecnológicos del sector industrial actual. (Soto and Soto, 2017)

Page 42: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

24

Figura 1.18 Esquema para el diseño de moldes

1.5.4.3 Obtención de la estrategia de maquinado.

CamWorks es una de las soluciones CAM para SolidWorks considerada como la

más avanzada disponible para el mecanizado de sólidos. Cuando se está utilizando

SolidWorks, el árbol de mecanizado y comandos de CamWorks están disponibles

con sólo hacer un clic. Utiliza la misma geometría de SolidWorks para generar

caminos de herramienta, asegurándose así que la pieza que se mecaniza es la

misma que se ha modelado y, además, eliminando las transferencias de archivos

que tanto tiempo consumen.

CAMWorks es un software intuitivo basado en sólidos que permite a los fabricantes

aumentar la productividad y la rentabilidad gracias al uso de las mejores tecnologías

y de herramientas de automatización adaptables que, a pesar de su sencillo uso,

permiten realizar un mecanizado de máxima eficacia.

En la siguiente figura se presentan los pasos para generar el CAM de una pieza.

Figura 1.19 Esquema para realizar el macanizado.

Page 43: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

25

Conclusiones Parciales

1. Se realizó un estudio bibliográfico de los diferentes procesos de obtención de

piezas plásticas, haciendo énfasis en el de inyección.

2. Se pudo constatar que en la actualidad existen varias herramientas

computacionales para el diseño de moldes de inyección de piezas plásticas.

En el caso del SolidWorks, además de la posibilidad del diseño (CAD), se

incorporan otros complementos adicionales para la simulación de la

inyección (CAE) como es el SOLIDWORKS Plastics, y para la fabricación

(CAM) como es el CAMWorks, lo que lo hace ideal para este tipo de trabajo.

3. Se comprobó que, a pesar de que existe una amplia bibliografía acerca del

diseño de moldes de inyección de plásticos, no se pudo encontrar trabajos

que describan a manera de manual cómo utilizar las herramientas

CAD/CAE/CAM para estos fines.

Page 44: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

26

Capítulo II. Simulación del llenado de la cavidad del molde.

2.1 Descripción de la pieza.

La pieza que se toma como ejemplo a analizar es el soporte de un espejo retrovisor

de un vehículo, el cual fue diseñado en la EMI "Ernesto Che Guevara" Unidad

Batalla de Santa Clara. La misma es de forma rectangular y posee nervios para

aumentar su rigidez. Las dimensiones fundamentales se muestran a continuación.

Figura 2.1 Descripción de la pieza

Selección del tipo de material

El material seleccionado como ejemplo es el polipropileno (PP), material de amplio

uso en las industrias cubanas.

Características:

Nombre comercial: Hostales PPH, Luparen, Vestolen P.

Color y aspecto del material corriente en el mercado: masa granulada,

incolora, opaca y teñida. Transparente y oscura.

Propiedades generales del producto acabado: elevada estabilidad de

forma al calor, resistencia a la tracción y al choque, rigidez, buena dureza

superficial sin tendencia a la corrosión por tensiones, esterelizable hasta

1200C, prácticamente sin absorción de agua, se hace quebradizo a

temperaturas inferiores a 0 0C.

Ejemplo de aplicación: recipiente y objetos de uso (cubos, fuentes, bidones,

frascos), artículos para mecánica y aparatos eléctricos, cascos protectores,

tacones para zapatos.

Page 45: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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2.2 Pasos para la simulación del llenado de la cavidad del molde

Los resultados de la simulación permiten predecir cómo se comportará el material

plástico cuando es inyectado en el molde y después de ser expulsado, prever fallas

y solucionar problemas antes del diseño.

2.2.1 Crear malla

La malla divide cada dominio del modelo de simulación (por ejemplo, la cavidad, el

canal de refrigeración y la colada) en muchas celdas. Dentro de cada celda, la

simulación considera que el material y el comportamiento del flujo son constantes.

Existen dos métodos para generar la malla de la geometría que se desea incluir en

la simulación del moldeo por inyección de plástico:

Automático: Si se elige el método Automático, el software selecciona el tamaño

predeterminado del elemento sólido en función del tamaño y el grosor de la cavidad.

Manual: Permite configurar los ajustes de la malla, acceder a herramientas de

edición de mallas y mejorar la calidad de la malla. Mediante la creación de una malla

más refinada con celdas más pequeñas, la simulación puede predecir con más

detalle el comportamiento del material y el flujo, pero la simulación tarda más y

consume mayor cantidad de recursos computacionales.

A continuación, se muestra cómo se elige el tipo de malla.

Figura 2.2 Creación de la malla Figura 2.3 Vista mallado sólido.

En este caso se elige el tipo de malla automático, mostrando en la tabla 2.1 la

cantidad de elementos y el número de nodos.

Tabla 2.1 Detalles de la malla

Tipo Elementos Nodos

Sólido 760540 555367

Page 46: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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2.2.3 Agregar material

Lo siguiente a introducir en el software será el tipo de material, tanto del polímero

como del molde.

2.2.3.1 Tipo de polímero

En la figura 2.4 se muestra la ventana del PlasticManager, donde se selecciona la

opción Polímero para añadir el tipo de material plástico.

Figura 2.4 Seleccionar el tipo de polímero.

Luego se escoge el tipo de polímero a utilizar en la base de datos predeterminada

del software como se observa en la figura 2.5.

Figura 2.5 Base de datos de plásticos.

Page 47: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

29

También se puede agregar un nuevo material en la base de datos definida por el

usuario como se muestra a continuación.

Figura 2.6 Añadir material definido por el usuario.

En este administrador de polímero se añaden datos del material como calor

especifico, coeficiente de dilatación térmica, viscosidad entre otros.

Figura 2.7 Administrador del polímero.

Page 48: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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2.2.3.2 Material del molde

De la misma manera que con el polímero, se selecciona el tipo de material del

molde. En la figura 2.8 se observa la base de datos de moldes que trae el software

integrada, o se puede definir una base de datos por el usuario.

Figura 2.8 Base de datos de moldes.

En la siguiente figura se muestra el gestor de moldes, donde se introducen los datos

del material como calor específico, conductividad, etc.

Figura 2.9 Material del molde.

Page 49: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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2.2.4 Añadir parámetros del proceso

En este apartado se introducen tres tipos de parámetros de gran importancia:

Ajustes de llenado.

Ajustes de empaquetado.

Ajustes de deformación.

2.2.4.1 Ajustes de llenado.

Dentro de los parámetros del proceso se selecciona Ajustes de llenado (Figura

2.10). Estos ajustes definen parámetros del moldeo de inyección como: tiempo de

llenado, temperatura del material, temperatura del molde y presión máxima de

inyección (Figura 2.11), estos datos dependerán de la máquina inyectora a utilizar.

Figura 2.10 Ajustes de llenado.

Figura 2.11 Parámetros del proceso de

llenado

2.2.4.2 Ajustes de empaquetado

El objetivo del empaquetado es generar una pieza con peso uniforme e integridad

dimensional. Un empaquetado correcto mejora la calidad de la pieza. Durante la

primera fase, se aplica presión al sistema de inyección mientras el plástico fundido

en el molde se enfría y se contrae. La presión introduce más material en el molde

para compensar la contracción térmica. Durante la última fase del empaquetado, la

fase de "refrigeración pura", la presión de inyección se elimina y solo se calcula la

temperatura de la pieza cuando termina la solidificación.

En la figura 2.12 se muestra dónde se establecen los ajustes de empaquetado y en

la figura 2.13 se puede observar cómo se introducen los parámetros de este proceso

como el tiempo de mantenimiento de la presión y el tiempo de refrigeración puro.

Page 50: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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Figura 2.12 Ajustes de empaquetado.

Figura 2.13 Parámetros del proceso de

empaquetado.

2.2.4.3 Ajustes de deformación

Este parámetro, (Figura 2.14), permitirá mostrar la deformación de la pieza

causados por la tensión que se desarrolla durante el llenado y el empaquetado y la

tensión provocada por la contracción térmica después de que la pieza se haya

expulsado y enfriado completamente.

Los datos a introducir serán la temperatura ambiente y el eje de dirección de la

gravedad (Figura 2.15).

Figura 2.14 Ajustes de deformación.

Figura 2.15 Parámetros de deformación.

Page 51: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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2.2.5 Agregar condiciones de contorno

Las condiciones de contorno a definir serán las siguientes:

Punto de inyección.

Fuerza de cierre.

Temperatura pared del molde.

Elemento canal de colada.

Cara de simetría.

Canales calientes prellenados.

Respiraderos.

Condiciones límites de deformación.

2.2.5.1 Punto de inyección

El siguiente paso será establecer el Punto de inyección (Figura 2.16). Luego como

se muestra en la Figura 2.17 se selecciona un nodo en el sólido por donde se desea

inyectar y se agrega la ubicación.

Figura 2.16 Punto de inyección.

Figura 2.17 Ubicación del punto de

inyección.

Page 52: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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2.2.5.2 Fuerza de cierre

El otro paso será especificar la dirección en que se desea calcular la Fuerza de

cierre (Figura 2.18 y 2.19). Este resultado calcula la fuerza necesaria para mantener

cerrado el molde cuando inyecta el plástico. El programa la calcula a partir del área

proyectada y la presión en el punto de inyección.

Figura 2.18 Fuerza de cierre Figura 2.19 Seleccionar la dirección de la fuerza

2.2.5.3 Temperatura pared del molde

La condición de contorno Temperatura pared del molde (Figura 2.20) se usa para

definir una temperatura de molde que varíe sobre la superficie de la cavidad.

Si la temperatura del molde es uniforme en toda la superficie de la cavidad se

especifica en Ajustes de llenado > Temperatura del molde (ver Figura 2.11).

Figura 2.20 Temperatura pared del molde

Figura 2.21 Seleccionar temperatura.

Page 53: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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2.2.5.4 Elemento canal de colada

Con la condición de contorno Elemento canal de colada (Figura 2.22), se puede

identificar partes del dominio de la cavidad que no pertenecen a la pieza acabada,

como: entradas de inyección, canales y mazarotas. Estos elementos no se incluyen

en el análisis de deformación y su masa no está incluida en los resultados de la

simulación. Se seleccionan caras para aplicarlas como parte de los elementos de

los canales de colada (Figura 2.23).

Figura 2.22 Elemento canal de colada

Figura 2.23 Seleccionar elementos de

colada.

2.2.5.5 Cara de simetría

La condición Cara de simetría (figura 2.24) identifica superficies de cavidades y

dominios de canales que pertenecen a los planos de simetría. Con esta función, se

puede evitar simular ambas cavidades en un diseño de molde simétrico, lo que

ahorra tiempo de cálculo para la simulación. Se seleccionan las caras que

pertenecen a los planos de simetría (Figura 2.25).

Figura 2.24 Cara de simetría

Figura 2.25 Seleccionar caras de

simetría.

Page 54: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

36

2.2.5.6 Canales calientes prellenados

La condición de contorno de los Canales calientes prellenados (Figura 2.26)

identifica superficies de su sistema de canales que se hayan calentado. Estas

secciones de los canales se llenan inicialmente con polímero caliente al comienzo

de la simulación de llenado. Se seleccionan los canales que forman parte del

sistema de colada caliente y se indica la temperatura (Figura 2.27).

Figura 2.26 Canales calientes

prellenados

Figura 2.27 Seleccionar canales de

colada y temperatura.

2.2.5.7 Respiraderos

La condición de contorno Respiraderos (Figura 2.28) identifica las ubicaciones de

los respiraderos de la cavidad. Esta condición se utiliza con la función de análisis

de ventilación que se activa en el PropertyManager > Ajustes de llenado (Figura

2.11).

Al agregar respiraderos a las piezas de la cavidad, se puede realizar un seguimiento

de la formación y migración de las burbujas de aire del interior de las cavidades,

además del escape de las mismas a través de los respiraderos. La presión de las

burbujas también se calcula y se aplica al material de polímero circundante.

Page 55: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

37

Figura 2.28 Respiraderos

Figura 2.29 Seleccionar los puntos de

respiradero.

De esta manera se seleccionan los puntos donde se colocarán los respiraderos en

el molde (Figura 2.30), una vez especificados, se selecciona aplicar en el

PropertyManager (ver Figura 2.29)

Figura 2.30 Especificar ubicación de respiraderos.

Page 56: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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2.2.5.8 Condiciones límite de deformación

En esta condición (Figura 2.31) se definirá el plano límite de deformación como se

muestra en la Figura 2.32, con este plano se determinará la deformación máxima

permitida.

Figura 2.31 Condiciones límites de

deformación.

Figura 2.32 Aplicar plano de límite de

deformación.

2.2.6 Ejecutar la simulación

Cuando se termine de introducir los datos de Malla, Material, Parámetros del

proceso y Condiciones de contorno, se procede a ejecutar la simulación del proceso

de inyección de plásticos (Figura 2.33), mostrándose en el PropertyManager >

Ejecutar los tres tipos de resultados que se pueden realizar y en Resultados las

opciones para su estudio (Figura 2.34).

Figura 2.33 Ejecutar simulación. Figura 2.34 Resultados

Page 57: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

39

2.3 Análisis de resultados de la simulación

La utilidad del análisis es prever el comportamiento del material durante el proceso

de llenado de la pieza, permite detectar posibles problemas, evaluar puntos críticos

y todo esto antes de la construcción del molde, lo que permite corregirlo antes de la

fabricación, lo que supone un ahorro considerable de los costos.

2.3.1 Tiempo de llenado y presión al final del llenado

Tiempo de llenado

Representa el avance de flujo plástico durante todo el proceso, desde el inicio hasta

el final de la inyección. Todas las regiones con el mismo color se llenan

simultáneamente, el azul oscuro representa el inicio de la inyección y el color rojo

las últimas áreas en llenarse, si la pieza presenta inyección insuficiente la parte que

no se ha llenado no presenta ningún color y se deben tomar medidas como

aumentar el número de puntos de inyección o cambiar su posición.

Presión al final del llenado

Este análisis muestra el valor máximo de presión de inyección durante la fase de

llenado. En esta etapa se deben evitar grandes variaciones en la distribución de la

presión.

Figura 2.35 Tiempo de llenado Figura 2.36 Presión al final del llenado.

Page 58: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

40

2.3.2 Temperatura al final del llenado y temperatura central de frente de flujo

Temperatura al final del llenado

Este resultado muestra las zonas donde, por tener menos cantidad de material,

como en el caso de los nervios, existe mayor intercambio de calor y su temperatura

desciende de manera diferente al resto de la pieza.

Temperatura central de frente de flujo

Se debe evitar que existan grandes diferencias de temperatura a lo largo de la pieza.

Dichas condiciones de refrigeración pueden causar problemas en el llenado,

aumentar las necesidades de presión de la inyección, dar lugar a una mala unión

de las líneas de soldadura y una apariencia deficiente y, en general, afectar

negativamente a las propiedades de la pieza moldeada.

Figura 2.37 Temperatura central de frente

de flujo

Figura 2.38 Temperatura al final del

llenado

Page 59: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

41

2.3.3 Tasa y tensiones de cizalla al final del llenado.

Tasa de cizalla al final del llenado

Esta taza de cizallamiento da una idea de la rapidez con la que deslizan las capas

del polímero unas entre otras. Si se produce demasiado rápido se podrían romper

las cadenas del polímero y degradarse el material.

En el caso que se deban tomar medidas para reducir la tasa de cizallamiento, se

puede aumentar el espesor de los puntos de inyección, los canales de colada y las

piezas; también las temperaturas del molde y material y quizás aumentar el tiempo

de inyección; todo ello con el objetivo de reducir el flujo volumétrico.

Tensiones de cizalla al final del llenado

Una gran tensión de cizallamiento en el molde puede provocar que las piezas no

cumplan su función correctamente en las aplicaciones finales, y las distribuciones

no uniformes de las tensiones de cizallamiento pueden causar que las piezas se

contraigan de forma irregular, lo cual puede implicar que la pieza moldeada se

deforme.

Figura 2.39 Tasa de cizalla al final del

llenado

Figura 2.40 Tensiones de cizalla al final

del llenado

Page 60: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

42

2.3.4 Aumento de la temperatura y contracción del volumen al final del

llenado.

Aumento de temperatura al final del llenado

La temperatura al final de la etapa de llenado no debe aumentar más de lo

recomendado para el polímero, para que no se sobrecaliente el material en ningún

punto, esto provocaría una degradación de sus propiedades.

Contracción del volumen al final del llenado

Este resultado es uno de los que mayor importancia tienen en el diseño de moldes.

Se trata de la contracción volumétrica, y se mide en tanto por ciento con respecto

del volumen inicial. Es de vital importancia, puesto que a la hora de diseñar la

cavidad del molde hay que dimensionarla de tal forma que las dimensiones finales

de la pieza que se desea, sean las de la pieza ya contraída, de lo contrario, se

obtiene una pieza más pequeña.

Lo ideal es que la contracción sea uniforme a lo largo de la pieza y, además, debe

ser inferior al límite recomendado para el material, de lo contrario se pone en juego

la consistencia de la pieza.

Figura 2.41 Aumento de temperatura al

final del llenado

Figura 2.42 Contracción del volumen al

final del llenado.

Page 61: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

43

2.3.5 Tiempo de solidificación y de refrigeración.

Tiempo de solidificación al final del llenado.

Este resultado muestra el tiempo a partir del cual ya existen zonas que se

solidificaron cuando aún se está llenando la cavidad, esto puede derivar en

problemas a la hora de unirse el material plástico, por lo que se debe hacer lo posible

para evitarlas.

Tiempo de refrigeración.

El tiempo de refrigeración estimado se determina cuando el 90% de la temperatura

de la pieza es inferior a la temperatura de eyección del material.

El tiempo medio de refrigeración del moldeo de inyección suele oscilar entre algunos

segundos y un minuto.

La disminución general del espesor de pared o la extracción de material de las

secciones más gruesas de la pieza contribuirá a que la refrigeración sea más

uniforme y requiera menos tiempo, además de acortar la duración del ciclo en

general.

Figura 2.43 Tiempo de solidificación al

final del llenado

Figura 2.44 Tiempo de refrigeración.

Page 62: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

44

2.3.6 Temperatura al final del refrigerado y rechupes.

Temperatura al final del refrigerado.

Muestra la temperatura de la pieza una vez concluida la etapa de refrigeración.

Rechupes.

Otra de las características propias del proceso de moldeo por inyección es el

rechupe, que son depresiones en la superficie de la pieza. Normalmente son muy

pequeñas, pero resultan muy visibles al incidir la luz. Mediante este resultado se

puede ver qué zonas son más propensas a que surjan defectos superficiales.

Figura 2.45 Temperatura al final del

refrigerado

Figura 2.46 Rechupes

Page 63: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

45

2.3.7 Contribución por punto de inyección y facilidad de llenado.

Contribución al llenado por punto de inyección.

Se muestra la contribución de cada punto de inyección en el llenado de la pieza.

Facilidad de llenado.

Este resultado expone la probabilidad de que la cavidad se llene completamente y

es derivado de los resultados de presión y temperatura.

Los colores mostrados en el resultado de confianza de llenado indican lo siguiente:

Verde: La cavidad será completamente llenada.

Amarillo: Pueden existir problemas de llenado.

Rojo: Definitivamente existirán problemas de llenado.

Figura 2.47 Contribución al llenado por

punto de inyección.

Figura 2.48 Facilidad de llenado.

Page 64: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

46

2.3.8 Región solidificada al final del llenado y líneas de soldadura.

Región solidificada al final del llenado.

Se muestra las regiones que, por tener menos cantidad de material o diferentes

condiciones de refrigeración, se solidifican antes de completar la etapa de llenado,

esto puede derivar en una mala unión de los frentes de flujo.

Líneas de soldadura.

Este resultado predice las posibles ubicaciones de las líneas de soldadura

superpuestas en una vista transparente de la cavidad. Estas se forman en las zonas

de la pieza donde coinciden dos o varios frentes del material sin que los materiales

se unan entre sí.

La leyenda de colores indica el ángulo entre los vectores de velocidad de los frentes

del material en movimiento. Las zonas de la cavidad donde los frentes del material

plástico coinciden en ángulos pequeños (agudos) se muestran en color rojo. Las

zonas en las que los ángulos son grandes (obtusos) se muestran en color azul.

Figura 2.49 Región solidificada al final

del llenado.

Figura 2.50 Líneas de soldadura.

Page 65: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

47

2.3.9 Atrapamientos de aire

Se muestra la zona donde el aire de alta presión puede quedarse atrapado dentro

de la cavidad. Se debe considerar añadir puntos de ventilación en estas zonas para

evitar la formación de atrapamientos de aire.

Figura 2.51 Atrapamientos de aire.

Page 66: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

48

Conclusiones parciales

1. Se describió cada uno de los pasos necesarios para realizar la simulación

del llenado de la cavidad del molde con el SolidWorks Plastics.

2. La ayuda proporcionada por este software es muy valiosa para el diseñador

predecir cómo se comportará un molde bajo las condiciones de proceso que

previamente se hayan establecido.

3. Con el análisis de resultados se pueden prever fallas y solucionar problemas

antes del diseño, lo que supone un ahorro considerable de recursos.

Page 67: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

49

Capítulo III. Diseño del molde de inyección de plástico.

3.1 Pasos para la obtención del Núcleo y la Cavidad del molde.

La primera y más importante etapa en el diseño de moldes de inyección de plásticos

es la obtención del núcleo y la cavidad, de su correcto dimensionamiento dependerá

la calidad de la futura pieza.

3.1.1 Establecer contracción a la pieza.

Lo primero es establecer una escala para que las dimensiones finales de la pieza sean las requeridas. En la Figura 3.1 se observa cómo se procede para abrir esta herramienta y en la Figura 3.2 cómo establecer los parámetros de escala, que pueden ser respecto al centro de gravedad, al origen o al sistema de coordenadas, y uniforme o diferente para cada eje.

Figura 3.1 Escala.

Figura 3.2 Parámetros de escala.

3.1.2 Añadir línea de separación.

La línea de separación será la que definirá en qué dirección se abrirá el molde y

servirá para posteriormente crear la superficie de separación. En la siguiente figura

se muestra cómo abrir esta herramienta.

Figura 3.3 Línea de separación.

Page 68: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

50

Se selecciona una cara perpendicular a la dirección de desmoldeo y se presiona el

botón ¨Análisis de ángulo de salida. ¨ (Figura 3.4)

Figura 3.4 Parámetros para ubicar la línea de separación.

En la Figura 3.6 se muestran las aristas de la línea de separación y en la Figura 3.5

se indica que la línea está completa, pero que se debe crear superficies

desconectadas, esto se debe al agujero que tiene la pieza.

Figura 3.5 Análisis del ángulo de salida. Figura 3.6 Aristas de la línea de

separación.

Page 69: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

51

3.1.3 Agregar superficies desconectadas.

En casos como los de esta pieza, es necesario crear superficies desconectadas,

debido a que el núcleo y la cavidad se comunican por el agujero.

En la figura 3.7 se muestra dónde ejecutar esta herramienta, el software selecciona

automáticamente la arista (Figura 3.8), pero también se puede seleccionar de modo

manual, decidirse por una arista u otra dependerá de donde se desea que esté la

superficie desconectada, si en el núcleo o en la cavidad.

Figura 3.7 Crear superficies desconectadas.

Figura 3.8 Seleccionar arista de la superficie desconectada.

3.1.4 Añadir superficie de separación

La superficie de separación será la que divide el núcleo de la cavidad.

En la Figura 3.9 se muestra cómo abrir esta herramienta y en la Figura 3.10 cómo

seleccionarla, en este paso se puede seleccionar la operación de línea de

separación o introducir las aristas para crear la superficie.

Figura 3.9 Superficie de separación.

Page 70: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

52

Figura 3.10 Seleccionar la línea de separación.

3.1.5 Crear el núcleo y la cavidad del molde.

Este es otro de los pasos más importantes del diseño del molde, es como se obtiene

el núcleo y la cavidad, los cuales, una vez cerrado el molde, crean un espacio por

el que se inyectará el material plástico. La siguiente figura muestra cómo ejecutar

esta opción.

Figura 3.11 Núcleo/Cavidad.

Page 71: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

53

Luego se crea un croquis con las dimensiones del núcleo y de la cavidad (Figura

3.12).

Figura 3.12 Croquis Núcleo/Cavidad

Después de crear el croquis, se introduce el tamaño del bloque que se desea (Figura

3.13), estas dimensiones tendrán en cuenta los canales de refrigeración.

Figura 3.13 Dimensionar el bloque del Núcleo/Cavidad.

Page 72: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

54

Una vez creados el núcleo y la cavidad (Figura 3.14) se procede a separar los

sólidos, para esto se selecciona la operación mover/copiar (Figura 3.15).

Figura 3.14 Núcleo/Cavidad creados. Figura 3.15 Seleccionar Herramienta

Mover/Copiar.

Para mover los sólidos se selecciona la dirección del eje con respecto al cual se

va a desplazar y se arrastra hasta la distancia deseada (Figura 3.16)

Figura 3.16 Mover sólido.

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55

Así queda el núcleo y la cavidad una vez separados, y en el centro se encuentra la

pieza con la superficie de separación (Figura 3.17)

Figura 3.17 Núcleo/Cavidad separados.

Figura 3.18 Núcleo

Figura 3.19 Cavidad.

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56

Para guardar cada sólido en piezas diferentes, en el gestor de diseño del

FeatureManager, se elige el sólido y se expande el menú para seleccionar Insertar

en nueva pieza (Figura 3.20).

Figura 3.20 Insertar sólido en una nueva pieza.

Page 75: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

57

3.2 Selección de la caja de moldes del catálogo HASCO 2019

Los pasos para la selección de cada placa normalizada se muestra a continuación:

3.2.1 Tipo de elementos estandarizados.

Al iniciar el catálogo se selecciona molde cuadrado.

Figura 3.21 Elemento tipo molde cuadrado.

3.2.2 Seleccionar tipo de molde

En esta ventana aparecen 6 tipos de moldes, en este ejemplo se escoge el molde

número 1, que es de dos placas con placa de respaldo.

Figura 3.22 Selección de tipo de molde.

Page 76: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

58

3.2.3 Cambiar tamaño del molde.

Una vez seleccionado el tipo de molde se procede a cambiar el tamaño de este

como se muestra en la Figura 3.23

Figura 3.23 Cambiar tamaño del molde

Se elige un tamaño teniendo en cuenta las dimensiones necesarias para las

cavidades del molde.

Figura 3.24 Elección del tamaño del molde

Page 77: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

59

3.2.4 Seleccionar placa base

Después se comienza a seleccionar los espesores de cada una de las placas que

lo conforman, empezando por la de sujeción del lado fijo.

Figura 3.25 Placa base.

3.2.5 Seleccionar placa porta cavidad.

La siguiente es la placa porta cavidad, esta selección tendrá en cuenta, por ejemplo,

los insertos y los canales de refrigeración.

Figura 3.26 Placa porta cavidad

Page 78: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

60

3.2.6 Seleccionar placa porta núcleos.

Esta placa alojará los insertos del macho y los canales de refrigeración.

Figura 3.27 Placa porta núcleo

3.2.7 Seleccionar placa de respaldo de la placa porta núcleo.

La siguiente será la placa de respaldo de la placa porta núcleo, que es una placa

intermedia entre ésta y la placa porta botadores.

Figura 3.28 Placa de respaldo de la placa porta núcleo.

Page 79: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

61

3.2.8 Seleccionar regles.

Entre la placa de fijación móvil y la de respaldo se encuentran los regles, que serán

los que sirven de separadores para el movimiento del grupo expulsor.

Figura 3.29 Regles.

3.2.9 Seleccionar grupo expulsor.

Luego se eligen los espesores de las placas del grupo expulsor o porta botadores.

Figura 3.30 Grupo expulsor.

Page 80: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

62

3.2.10 Seleccionar placa de fijación móvil

La última será la placa de fijación móvil, que se encargará de sujetar esta parte del

molde a la máquina inyectora.

Figura 3.31 Placa de fijación móvil

3.2.11 Seleccionar bebedero

Para la selección del bebedero se tiene en cuenta elementos como el volumen de

plástico a inyectar, los espesores de las paredes, las velocidades de inyección entre

otros.

Figura 3.32 Bebedero

Page 81: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

63

3.2.12 Seleccionar los expulsores.

En la selección de los expulsores lo principal a conocer será las longitudes finales

en dependencia de la colocación de la pieza en el molde.

Figura 3.33 Expulsores

3.2.13 Exportar geometría.

Una vez obtenido el molde del catálogo, lo siguiente es exportar su geometría, el

mismo paquete de software donde está incluido el catálogo HASCO, trae el

WorldCAT, software que se encarga de asociar el molde con el sistema

seleccionado, en este caso fue el SolidWorks.

Figura 3.34 Exportar geometría

Page 82: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

64

En la siguiente figura se observan los diferentes sistemas a los que se puede

asociar.

Figura 3.35 Asociar sistema DAO

Figura 3.36 Caja de moldes seleccionada del catálogo HASCO.

Page 83: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

65

3.3 Modificaciones necesarias

Luego de obtener la caja de moldes normalizada, son necesarias una serie de

modificaciones con el objetivo de añadir los canales de refrigeración y de

alimentación; agujeros para la sujeción, para colocar expulsores y centradores;

conectores para los conductos del refrigerante, entre otras.

A continuación, se describen los principales cambios que se deben realizar a cada

placa.

Lado fijo:

3.3.1 Placa de sujeción o placa base.

Denominación HASCO: K10/346x596x36/

Modificaciones:

Agujeros para canales de refrigeración y para la sujeción.

Aumento de diámetro de la cajera para anillo centrador.

3.37 a) HASCO 3.37 b) Modificada

Figura 3.37 Placa base

3.3.2 Placa porta cavidad.

Denominación HASCO: K20/346x596x56

Modificaciones:

Agujeros para la fijación y para el centraje.

Canales de alimentación con entrada lateral.

Cajeras para los insertos de las cavidades.

Cambiar el espesor de las placas.

Page 84: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

66

3.38 a) HASCO 3.38 b) Modificada

Figura 3.38 Placa porta cavidad

Lado móvil:

3.3.3 Placa porta macho

Denominación HASCO: K20/346x596x56

Modificaciones:

Canales de alimentación y de refrigeración.

Agujeros para la sujeción y para los expulsores.

Cajeras para los insertos del núcleo.

Se aumentar el espesor.

3.39 a) HASCO 3.39 b) Modificada

Figura 3.39 Placa porta macho

Page 85: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

67

3.3.4 Placa de respaldo o de apoyo

Denominación HASCO: K30/346x596x46

Modificaciones:

Agujeros para los expulsores, la sujeción y para columnas guías del sistema

de expulsión

3.40 a) HASCO 3.40 b) Modificada

Figura 3.40 Placa de respaldo

3.3.5 Separadores o regles

Denominación HASCO: K40/346x596x66

Modificaciones:

Agujero para la sujeción con la placa de fijación del lado fijo.

3.41 a) HASCO 3.41 b) Modificada

Figura 3.41 Regles

Page 86: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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3.3.6 Conjunto expulsor

Denominación HASCO: K60/70/346x596

Modificaciones:

Agujeros para las columnas guías del conjunto expulsor, apoyos,

separadores y para la sujeción.

3.42 a) Placa porta expulsores 3.42 b) Placa de respaldo

Figura 3.42 Conjunto expulsor (HASCO)

3.43 a) Placa porta expulsores 3.43 b) Placa de respaldo

Figura 3.43 Conjunto expulsor (Modificada)

Page 87: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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3.3.7 Placa de sujeción del lado móvil

Denominación HASCO: K10/346x596/36

Modificaciones:

Agujeros para la sujeción y para las columnas guías.

3.44 a) HASCO 3.44 b) Modificada

Figura 3.44 Placa de sujeción del lado móvil

3.3.8 Disco centrador

El disco centrador HASCO lo selecciona por defecto según el tipo de molde

escogido.

Denominación HASCO: Z7510-125x8

Modificaciones:

Agujeros para la sujeción y se le realizan operaciones de chaflán, además,

se aumentó su espesor.

3.45 a) HASCO 3.45 b) Modificada

Figura 3.45 Disco centrador

Page 88: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

70

3.3.9 Bebedero

Denominación HASCO: Z50-18X36

Modificaciones:

Redondeos, el diámetro interior y la entrada de la boquilla.

Agujero para el pin, la unión con los canales de alimentación y la dimensión

final.

3.46 a) HASCO 3.46 b) Modificada

Figura 3.46 Bebedero

3.3.10 Expulsores

Denominación HASCO: Z40-2X100

Modificaciones:

A los expulsores solo se agrega la dimensión final.

Figura 3.47 Expulsor (HASCO)

Figura 3.48 Expulsor (Modificado)

3.3.11 Inserto de la cavidad

Modificaciones:

Agujeros para la refrigeración.

Entrada lateral del canal de alimentación.

Operaciones necesarias para insertarlo en la placa porta cavidad.

Page 89: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

71

3.49 a) Herramienta de moldes 3.49 b) Modificado

Figura 3.49 Inserto de la cavidad

3.3.12 Inserto del núcleo

Modificaciones:

Agujeros para la sujeción.

Canales de refrigeración y alimentación.

Operaciones necesarias para insertarlo en la placa porta núcleo.

Se coloca un macho cilíndrico en el centro.

3.50 a) Herramienta de moldes 3.50 b) Modificado

Figura 3.50 Inserto del núcleo

Page 90: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

72

El macho cilíndrico se usa por facilidad de maquinado, teniendo en cuenta la isla

que tiene, si se realiza en el mismo inserto, habría que desbastar demasiado

material.

Figura 3.51 Macho cilíndrico

3.3.13 Sistema de refrigeración

El sistema de refrigeración tiene como finalidad absorber el calor disipado por el

material plástico hasta que los productos moldeados se hayan solidificado lo

suficiente y puedan ser extraídos sin peligro de deformaciones.

Por lo tanto, en la práctica se toma como regla general para el diseño de los canales

las siguientes:

1. La disposición de los canales debe permitir un enfriamiento uniforme en

todas las cavidades del molde.

2. Los canales deben ser construidos con un acabado basto, el cual facilita

la turbulencia del agua y mejora el efecto refrigerante.

3. Los diámetros de los canales deben ser lo más grande posible,

generalmente Ø8 o 10 mm para aumentar la superficie de contacto con el

agua del molde.

4. La separación de los canales respecto a las cavidades debe ser lo menor

posible para reducir la distancia de transmisión térmica.

5. La ubicación de los canales debe permitir la solidificación de los productos

moldeados antes que la mazarota, para que la presión residual de la

inyectora pueda actuar un tiempo suficiente.

Page 91: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

73

6. Para la producción de piezas de grandes dimensiones se debe refrigerar

directamente al macho.

7. En los moldes de elevado rendimiento y ciclos de producción muy

pequeños también se deben refrigerar los machos.

8. En la producción de piezas profundas, además de la refrigeración directa

del macho, también debe refrigerarse directamente la cavidad.

9. La distancia entre dos canales paralelos puede ser 2 a 3 veces el diámetro

del canal.

3.3.13.1 Inserto de la cavidad

Teniendo en cuenta las anteriores recomendaciones, para este ejemplo pudiese

elegirse un diámetro de 8 mm, distribuyendo de manera uniforme y lo más cercana

posible los canales a la cavidad, que debe ser de 0.8-1.5 veces el diámetro del

canal, (Narváez et al., 2015).

Figura 3.52 Vista frontal del inserto de la cavidad.

Figura 3.53 Vista superior del inserto de la cavidad

Page 92: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

74

3.3.13.2 Inserto del núcleo

El diámetro puede ser seleccionado 8 mm, y los canales deben acercarse lo más

posible a la cavidad, teniendo en cuenta en su distribución los agujeros para los

expulsores.

Figura 3.54 Vista superior del inserto del núcleo

Figura 3.55 Vista frontal del inserto del núcleo

Macho cilíndrico

Para refrigerar el macho se puede utilizar un serpentín, elemento normalizado que

es más eficiente en la refrigeración, para su elección debe tenerse en cuenta

aspectos económicos.

Figura 3.56 Serpentín de refrigeración.

Page 93: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

75

3.3.14 Canales de alimentación

Los canales de distribución conducen el material plastificado desde el bebedero

hasta las cavidades, es por esto que es de gran importancia el dimensionamiento

de los mismos. El canal circular cumple con la condición de mantener mínima la

relación de superficie/volumen, con este canal se produce mínimas perdidas de

calor y rozamiento permitiendo que la colada llegue rápidamente a las cavidades

con una presión adecuada. (Narváez et al., 2015)

Figura 3.57 Disposición de los canales de alimentación

En casos como el de estudio se pueden colocar dos puntos de inyección para que

el material plástico demore lo menos posible en llenar las cavidades del molde y se

distribuya de manera más uniforme, contribuyendo a la disminución del tiempo del

ciclo, una posible disposición de los canales se muestra en las Figuras 3.58 y 3.59.

Figura 3.58 Canales de alimentación de la placa porta cavidad

Figura 3.59 Canales de alimentación de la placa porta núcleo

Page 94: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

76

En la siguiente vista traslúcida del molde se puede observar todo el sistema de

alimentación, que comienza en el bebedero y termina en las cavidades del molde.

Figura 3.60 Vista traslúcida de los canales de alimentación.

Page 95: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

77

Conclusiones parciales

1. Se mostró cada uno de los pasos a seguir para la obtención del núcleo y la

cavidad del molde, teniendo en cuenta la escala para compensar la

contracción de la pieza, la ubicación de la línea de separación para permitir

el correcto desmoldeo, y la necesidad de crear superficies desconectadas si

las piezas tienen agujeros.

2. Se expuso cómo realizar la selección de la caja de moldes del catálogo

HASCO, ampliamente utilizado en las empresas cubanas, hasta exportar su

geometría a una extensa gama de softwares de diseño.

3. Se presentaron las modificaciones que se necesitan realizar a cada una de

las placas del catálogo de normalizados, como canales de refrigeración y de

alimentación, agujeros para la sujeción, los expulsores, etc.

4. Se comprobó, que son muchos los factores que intervienen a la hora de

diseñar un molde de inyección, siendo imposible conseguir una solución

única y definitiva para cada problema, por lo que la experiencia y el

conocimiento práctico juegan un papel importante.

Page 96: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

78

Capítulo IV. Estrategia de maquinado para la obtención del código CNC.

Pasos para obtener la estrategia de maquinado del inserto de la cavidad del

molde.

Se toma como ejemplo el inserto de la cavidad del molde para mostrar los pasos a

seguir para obtener el código CNC con el CAMWorks.

4.1 Definir la máquina, el controlador y la torreta de herramienta.

4.1.1 Seleccionar tipo de máquina herramienta

En la Figura 4.1 se muestra cómo abrir la ventana donde se elige la máquina CNC.

Figura 4.1 Definir máquina herramienta

En esta ventana se selecciona la máquina herramienta en la que se hará el

maquinado, el software trae una base de datos con algunas integradas o se pueden

agregar, especificando datos como el área de la mesa de trabajo, los recorridos

máximos en cada uno de los ejes y la cantidad, etc.

Figura 4.2 Seleccionar máquina CNC

Page 97: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

79

4.1.2 Seleccionar la torreta de la herramienta

La torreta o carrusel son las herramientas con las que cuenta la fresadora para el

mecanizado, el CAMWorks tiene por defecto una base de datos o se puede agregar

una personalizada, como se muestra en la figura siguiente.

Figura 4.3 Seleccionar torreta de herramientas

Page 98: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

80

4.1.3 Seleccionar el controlador.

En la pestaña Postprocesador se selecciona el controlador de la CNC con la que se

ejecutará el código del mecanizado, el software trae incorporado algunos generales,

pero se debe añadir el específico de la máquina.

Figura 4.4 Seleccionar postprocesador.

4.2 Definir el sistema de coordenadas

El sistema de coordenadas se establece para que coincida los ejes del SolidWorks

con los de la fresadora, además, define el punto cero de los ejes, conocido como

cero pieza. En la figura 4.5 se muestra cómo editar esta definición.

Figura 4.5 Definir sistema de coordenadas.

Luego se puede definir el sistema de coordenadas del SolidWorks o definir uno

nuevo por el usuario (Figura 4.6)

Page 99: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

81

Figura 4.6 Seleccionar sistema de coordenadas.

4.3 Definir la pieza en bruto o tocho

El tocho de material es una característica que utiliza el programa para saber, a la

hora de generar los rasgos y caminos de herramientas, cuánto material sobrante

hay alrededor de la futura pieza. En este ejemplo la pieza en bruto se define con

una dimensión de 2 mm más por cada lado que la pieza final, y la altura será la

misma. Para ejecutar esta herramienta ver Figura 4.7.

Figura 4.7 Herramienta de definición de tochos.

En la selección de tipo de tocho, se puede elegir: caja limitada, croquis extruido,

fichero STL o archivo de piezas, y se selecciona un sistema de coordenadas para

equidistar la caja limitada, si se elige esta opción como se muestra en la Figura 4.8.

Page 100: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

82

Figura 4.8 Definir tocho

4.4 Insertar plano de trabajo

La siguiente figura muestra dónde editar el plano de trabajo.

Figura 4.9 Editar definición del plano de trabajo

El plano de trabajo será el perpendicular a la herramienta de corte y se selecciona

como la cara superior de la pieza (figura 4.10).

Figura 4.10 Insertar plano de trabajo.

Page 101: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

83

4.5 Agregar rasgos mecanizables

4.5.1 Rasgo MultiSuperficie

Como la pieza tiene una cavidad con superficies inclinadas con respecto al plano de trabajo, se selecciona Rasgo MultiSuperficie, lo que permitirá realizar operaciones de mecanizado en 3 ejes.

En la figura 4.11 se muestra cómo añadir este rasgo.

Figura 4.11 Agregar rasgo MultiSuperficie.

En este caso se seleccionó toda la pieza a pesar de que no todas las operaciones

se realizarán con este rasgo, después se puede definir cuáles serán las superficies.

Figura 4.12 Seleccionar superficies.

4.5.2 Rasgo de 2.5 ejes

Para las operaciones de contorneado se selecciona un rasgo de 2.5 ejes tipo macho

(Figura 4.13), debido a que el maquinado será perpendicular al plano de trabajo.

Page 102: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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Figura 4.13 Seleccionar rasgo 2.5 ejes.

Para esta operación se seleccionan las aristas o el croquis superior (Figura 4.14) y

en condición final (Figura 3.13) se selecciona un vértice para definir la profundidad

de la operación (Figura 4.15)

Figura 4.14 Seleccionar entidades. Figura 4.15 Condición final.

De la misma manera se procede para el contorno inferior (Figura 4.16)

Figura 4.16 Contorno inferior.

Page 103: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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4.6 Insertar operaciones de fresado

4.6.1 Contorneado

En el árbol de operaciones se inserta la operación de fresado 2.5 ejes contorneado,

como se observa en la Figura 4.17.

Figura 4.17 Insertar operación de contorneado

Se escoge la herramienta de la torreta previamente establecida y se seleccionan los

rasgos de Macho Rectangular como muestra la Figura 4.18.

Figura 4.18 Añadir herramienta y rasgos para contorneado.

4.6.2 Desbaste área

Se añade la operación de fresado de 3 ejes Desbaste Área (Figura 4.19)

Page 104: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

86

Figura 4.19 Añadir operación Desbaste Área

Se selecciona el rasgo MultiSuperficie y la herramienta (Figura 4.20).

Figura 4.20 Añadir herramienta y rasgo para Desbaste Área.

Page 105: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

87

4.6.3 Proyección patrón

Se añade la operación de 3 ejes Proyección Patrón (Figura 4.21)

Figura 4.21 Añadir operación Proyección Patrón.

Se añade la herramienta y se selecciona el rasgo MultiSuperficie (Figura 4.22)

Figura 4.22 Añadir herramienta y rasgo MultiSuperficie.

Page 106: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

88

En el árbol de operaciones se define el área a contener (Figura 4.23)

Figura 4.23 Agragar área a contener.

Se selecciona el croquis con el área a contener como se observa en la Figura 4.24.

Figura 4.24 Seleccionar área a contener.

Page 107: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

89

Se añade otra proyección patrón con la misma área a contener, pero con otra

herramienta y un área a evitar (Figuras 4.25), esta operación es para el maquinado

del radio de redondeo de la cavidad.

Figura 4.25 Selección de la herramienta y área a evitar.

Se seleccionan las aristas del área que se desea evitar como se observa a

continuación.

Figura 4.26 Agregar área a evitar.

Page 108: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

90

4.7 Especificar parámetros de maquinado.

Se escogen los regímenes de cortes a emplear en cada proceso según el fabricante

de la herramienta y condiciones de corte, estos parámetros durante el maquinado

es posible cambiarlo con los controles de la máquina CNC, por lo que se emplean

los más óptimos para cada herramienta y luego se modifican in situ. El maquinado

que se usa es el de alta velocidad, que consiste en altas rpm y avances (mm/min)

con poca profundidad de corte. Con esto se logra una alta productividad y sobre

todo calidad en el producto final.

Los parámetros de maquinados se pueden definir por operación o por herramienta,

como en este caso. Los datos de estos parámetros se encuentran en los catálogos

de los fabricantes, que muestran los regímenes de corte óptimos dependiendo del

material a maquinar, del diámetro de la herramienta, etc., un ejemplo de catálogo

se muestra en la Figura 4.27.

meusburger WZT 251_____________________________________________________

System: WZT 251 Indexable round insert

milling cutter

Machining variant: Roughing

Diameter [mm]: 20

Teeth: 3

Panel size: Plate size 08

Material: 1.2312 - 1080 N/mm²

Sort: M45 main application steel, adjacent

application steel with high chromium

Content

Cutting velocity Vc [m/min]: 200

Lining depth ap [mm]: 1.00

Lateral lining ae [mm]: 10.0 mm / 50.0%

RPM: 3183 [RPM]

Feed rate: 3342.3 [mm/min]

Figura 4.27 Catálogo de la herramienta

Page 109: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

91

Los avances y velocidad de giro son los más óptimos calculados por el fabricante,

luego si se desea se pueden variar con los controles de la CNC.

Figura 4.28 Parámetros de maquinado (avance y giro)

En esta ventana se muestran los parámetros de contorneado, donde se pueden

definir sobrespesores, profundidades de corte, cantidad de pasadas, etc.

Figura 4.29 Parámetros de maquinado (Contorneado)

Page 110: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

92

En los párametros de desbaste área se pueden definir el acabado superficial,

paramétros de profundidad, control de dirección y los límites de la operación.

Figura 4.30 Parámetros de maquinado (Desbaste)

De la misma manera, en la proyección patrón se pueden definir las profundidades

de corte, los sobrespesores, controlar la dirección del corte, etc.

Figura 4.31 Parámetros de maquinado (Acabado)

Page 111: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

93

4.8 Generar Camino de las herramientas

Lo siguiente es generar los caminos de las herramientas para la operaciones de

mecanizados como se muestra en la Figura 4.32 , y en las Figuras de la 4.33 hasta

la 4.36 se observan las trayectorias por operación.

Figura 4.32 Generar camino de la herramienta.

Figura 4.33 Contorneado Figura 4.34 Desbaste

Figura 4.35 Proyección patrón 1 Figura 4.36 Proyección patrón 2

Page 112: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

94

4.9 Simular camino de la herramienta.

En la Figura 4.37 se muestra dónde ejecutar la simulación.

Figura 4.37 Ejecutar simulación

Luego se procede a ejecutar la simulación, en la siguiente Figura se observan las

distintas opciones que brinda el software para esto, en este ejemplo se seleccionó

por operación, las posteriores muestran los resultados.

Figura 4.38 Opciones de simulación

Figura 4.39 Desbaste Figura 4.40 Contorneado

Page 113: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

95

Figura 4.41 Proyección patrón 1. Figura 4.42 Proyección patrón 2.

Luego se procede a mostrar las diferencias, esta es otra opción para ver en código

de colores las zonas donde el material arrancado es mayor o menor al de la pieza

final, las diferencias positivas se muestran en color azul, las negativas en rojo, y

cuando la diferencia es cero en color verde. En esta pieza la cavidad no tiene

problemas, las zonas que no se muestran en color verde son errores de gráficos por

estar en una vista alejada, y en el caso de los canales de alimentación se debe

realizar el maquinado una vez insertada en la placa porta cavidad.

Figura 4.43 Mostrar diferencias.

Page 114: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

96

4.10 Obtención del codigo CNC

Para obtener el código se ejecuta el postprocesado (Figura 4.44) y se genera el

código CNC (Figura 4.45).

Figura 4.44 Ejecutar postprocesado.

Figura 4.45 Generar código.

Las primeras líneas del código son la definición de la pieza en bruto, después le

sigue la llamada de la primera herramienta con su régimen de corte correspondiente

y comienza el maquinado.

Figura 4.46 Inicio del programa y llamada de la primera herramienta

Page 115: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

97

Cuando terminan las operaciones de la primera herramienta el programa llama al

cambio, se detiene el cabezal y se hace cambio de herramienta con su régimen de

corte correspondiente. Luego le siguen los puntos en el espacio para guiar la

herramienta.

Figura 4.47 Cambio de herramienta 1.

El proceso se repite para cada cambio de herramienta.

Figura 4.48 Cambio de herramienta 2.

En la última línea del programa sube la fresa a z1 del cero máquina que siempre se

encuentra en la parte superior del eje z, esto es por seguridad y luego de esto

finaliza el programa.

Figura 4.49 Fin de programa.

Page 116: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

98

Conclusiones parciales:

1. Se mostró paso a paso cómo se obtiene el código CNC con el CAMWorks,

siguiendo diferentes estrategias de maquinado para cada una de las

operaciones de fresado.

2. Se pudo constatar que al estar integrada esta potente herramienta con el

SolidWork, todo el trabajo queda contenido en una misma interfaz, facilitando

la programación y ahorrando considerablemente el tiempo.

3. Se simularon las trayectorias de las herramientas, lo que permite conocer en

qué zonas puede quedar excesos o falta de material, en el caso tomado como

ejemplo el maquinado se realizó correctamente.

4. Se seleccionaron las condiciones de corte óptimas según las

recomendaciones del fabricante, estas se añaden dentro de la base de datos

personalizada.

Page 117: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

99

Conclusiones generales

1. Se realizó un estudio bibliográfico acerca de los diferentes procesos de

obtención de piezas plásticas, haciendo énfasis en el de inyección de

plásticos, y aunque se comprobó que existen muchas herramientas

CAD/CAE/CAM para el diseño, simulación, y fabricación de moldes, no se

encontraron referencias que profundicen en cómo utilizar estos softwares.

2. Se describió cada uno de los pasos necesarios para realizar la simulación del

llenado de la cavidad del molde con el SolidWorks Plastics, y se demostró que

con sus resultados se puede predecir cómo se comportará el flujo plástico,

prever fallas y solucionar problemas antes del diseño.

3. Se detalló en cómo realizar el diseño del molde, que parte de la obtención del

núcleo y la cavidad, luego se elige cada una de las placas que lo conformarán

con ayuda del catálogo de elementos normalizados HASCO, y por último se

le realizan las modificaciones necesarias para hacer posible su correcto

funcionamiento.

4. Se mostró paso a paso cómo se obtiene el código CNC con el CAMWorks,

siguiendo diferentes estrategias de maquinado para cada operación y

exponiendo cómo, simulando la trayectoria de las herramientas, permite

conocer cuáles zonas de la pieza pueden quedar con mayor o menor cantidad

de material que lo requerido.

5. A pesar de que estas potentes herramientas integradas en una misma interfaz

facilitan y ahorran tiempo en el proceso, pueden prever fallas y solucionar

problemas antes del diseño, etc., son muchos los factores que intervienen a

la hora de diseñar un molde de inyección, por lo que la experiencia y el

conocimiento práctico juegan un papel muy importante.

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Recomendaciones:

Continuar la investigación para mejorar aspectos como:

1. El diseño de sistemas de refrigeración y canales de colada.

2. El análisis de los resultados de empaquetamiento y deformación.

3. La creación de diferentes tipos de malla manual.

4. La adición de parámetros del proceso de inyección que varíen en el tiempo.

5. El diseño de otros tipos de moldes con colada caliente y diferentes entradas

del material a la cavidad.

6. En el catálogo HASCO mostrar otros elementos normalizados que trae

incorporado como: sistemas de desmoldeo, de inyección, boquillas

calefactoras, ingeniería de medición, materiales auxiliares, etc.

7. La creación de una base personalizada de herramientas, incluyendo los

regímenes de cortes óptimos recomendados por el fabricante.

8. El estudio de piezas que necesiten ser maquinadas en fresadoras con más

de 3 ejes.

Page 119: Título: Pasos preliminares para un manual de diseño de

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