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
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
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
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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
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.
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.
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.
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 )
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
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
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.
4
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
5
(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.
6
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
7
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
8
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
9
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
10
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.
11
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
12
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)
13
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.
14
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:
15
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.
16
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)
17
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
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.
19
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
20
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
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.
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.
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)
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.
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.
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.
27
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
28
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.
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.
30
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.
31
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.
32
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.
33
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.
34
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.
35
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.
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.
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.
38
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
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.
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
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
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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
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.
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.
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
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
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.
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.
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
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
68
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)
69
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
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.
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
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.
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
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.
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
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.
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.
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
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
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)
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.
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.
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.
84
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.
85
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)
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.
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.
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.
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.
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
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)
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)
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
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
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.
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
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.
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.
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.
100
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.
101
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