Sistemas de canales calientes (y II)

01/11/1996

Las boquillas, los elementos más criticos
Sistemas de canales calientes ( y II)

En esta segunda parte se detallan los aspectos relacionados con las boquillas, que son los elementos básicos del sistema de canales caliente

Las boquillas del sistema de canales calientes deben cumplir varios requisitos, aparentemente contradictorios, para cumplir su función básica de conexión entre el colector y la cavidad. Existen las boquillas de cierre y las abiertas, dependiendo de si el sistema es por bebedero directo o indirecto.

Los elementos más críticos de un sistema de canales calientes son las boquillas, que constituyen la conexión entre el colector caliente y la cavidad.

Sus requisitos son varios:

- conducción del calor hasta el bebedero de modo que el fundido se conduzca isotérmicamente y el bebedero no se congele;

- separación térmica entre el colector caliente y el molde enfriado. El molde no debe experimentar un indebido aumento de temperatura en el área del bebedero;

- separación limpia y reproducible entre el contenido fluído del canal y la pieza solidificándose durante el desmoldeo (sin formación de cintas);

- sellado de los puntos de transición desde el canal a la boquilla y desde ésta a la cavidad.

Con tales requisitos parcialmente contradictorios y a la vista de la multitud de variaciones de diseño producidas en los moldes de canales calientes, se han desarrollado varias configuraciones de boquilla.

Figura 1 Los actuales sistemas de canal caliente se adaptan a distintas configuraciones de moldes, permitiendo una gran libertad de diseño, que incluyen mitades calientes completas de los moldes.

Se puede distinguir entre bebedero indirecto (la boquilla acaba en un bebedero corto) y bebedero directo (la boquilla acaba inmediatamente en la cavidad). Se emplean boquillas abiertas y boquillas de cierre. El calentamiento de las boquillas se hace bien directamente por conducción de calor, utilizando el del propio fundido, bien indirectamente mediante resistencias. Pueden dividirse también en sistemas calentados externa o internamente. Los exponentes más importantes de estas clases se describen a continuación.

Boquillas abiertas

Boquillas abiertas para bebedero indirecto

No se puede moldear una pieza que precise una muestra de flujo de llenado impecable con bebedero directo desde un colector caliente. El bebedero indirecto se emplea a menudo si hay varios bebederos tan cercanos que es poco práctico situar en cada uno de ellos una boquilla caliente separada. Como alternativa pueden utilizarse bebederos múltiples con varillas conductoras de calor, el bebedero de borde caliente del sistema Mold Master o el sistema de canal caliente de bloque.

La separación térmica se consigue con mayor facilidad debido a que puede mantenerse una distancia segura entre la boquilla y la cavidad. Aunque de diseño simple, el bebedero directo hace perder, hasta cierto punto, las ventajas del sistema de canales calientes, tales como el ahorro de material y el desprendimiento automático de las piezas.

En el bebedero indirecto puede distinguirse entre boquillas calentadas y boquillas conductoras del calor con casquillo. En las primeras, la expansión térmica de la boquilla se compensa con un muelle Belleville. La expansión del colector hace que la boquilla se deslice a lo largo del casquillo de mazarota y para que esto no cierre parcialmente el orificio de la boquilla, el diámetro de ésta se mantiene menor que el del casquillo.

Figura 2 - Además de las propias cámaras de canales calientes, los equipos incluyen sistemas de control, una gran diversidad de tipos de boquilla, elementos de interconexión, sensores térmicos y elementos calefactores.

En las segundas, hechas de una sola pieza, el canal caliente puede deslizarse dentro de la boquilla. Para evitar, en piezas grandes, velocidades de cizallamiento altas y la consiguiente caída de la presión, se ha desarrollado un bebedero de doble túnel. Otra opción es la de reducir la velocidad de cizallamiento mediante un bebedero de túnel con restricción.

Debe atenderse a la posición óptima del termopar y a la configuración del punto de separación. Aunque el bebedero indirecto es menos crítico que el directo, las piezas transparentes pueden exhibir marcas de flujo y enturbiado.

En un molde de cavidad simple, el canal caliente no es más que una boquilla, que puede considerarse un casquillo de mazarota caliente.

En contraste con el tipo de boquillas anterior, que se calientan con bandas o cartuchos calentadores, la boquilla denominada de conducción térmica no lleva calentamiento separado. Un material de boquilla de elevada conductividad térmica conduce el calor del canal al bebedero. Para mantener la boquilla lo suficientemente caliente, un buen aislamiento debe asegurar que se transmita tan poco calor como sea posible de la boquilla al molde. Esto se consigue con un casquillo con el diámetro interno mayor que el diámetro externo de la boquilla.

Durante el funcionamiento, la separación se llena con el plástico fundido, que constituye el aislante, y se suelen mecanizar cavidades de aire en el cuerpo de la boquilla para aumentar el aislamiento. El casquillo sella también la boquilla con respecto a su entorno.

Ventajas e inconvenientes

La boquilla de conducción térmica presenta varias ventajas e inconvenientes con respecto a las boquillas calentadas sin casquillo.

Entre las ventajas:

- es menos costosa y son innecesarios el calentamiento separado y el equipo de medición y control de la temperatura;

- mejor separación térmica entre boquilla y molde; y

- poca necesidad de espacio.

Entre los inconvenientes:

- longitud de boquilla limitada a alrededor de 2D;

- elevadas fuerzas reactivas;

- el material del espacio aislante se va degradando. Si van trozos de este material a la cavidad, ocasionarán fallos cosméticos o puntos débiles. Por tanto, este sistema no es muy adecuado para material sensible al calor o en piezas cosméticamente críticas;

- acoplamiento térmico de la temperatura de la boquilla y el colector. La temperatura de la boquilla y en especial del bebedero son responsables del llenado equilibrado del molde y sólo pueden controlarse con la temperatura del colector en las zonas de las boquillas, ocasionando necesariamente cambios no deseables en la temperatura del colector en su conjunto.

Dado que la separación térmica se obtiene mejor con bebedero directo que con indirecto, este diseño se utiliza principalmente para el primer método.

Boquillas abiertas para bebedero de punto directo

Para el bebedero directo la boquilla termina en el punto del bebedero de la cavidad. La tasa máxima de cizallamiento permisible del material determina las dimensiones de su sección transversal. Cuanto mayor es el peso de la pieza, más elevada es la tasa de flujo a través del bebedero necesaria y, en consecuencia, la tasa de cizallamiento.

Para el bebedero directo se aplica también el principio de la boquilla térmicamente conductora con casquillo. En el diseño del área del bebedero, la abertura es cilíndrica o escalonada y a veces forma una punta sobresaliente de material enfriado. Si esto puede causar alguna interferencia, la punta puede llegar a un rebaje hemisférico en la pieza.

Si esto no es admisible, se sugiere una boquilla con orificio anular o con una varilla de cierre. En piezas moldeadas en PE, el mejor modo es un escalonado inverso de la abertura, en cuyo caso la punta fría permanece en el casquillo hasta que es arrastrada en la siguiente embolada.

Se recomiendan las características de diseño que siguen para obtener la temperatura más elevada posible en la punta de la boquilla:

- el espacio para acomodar la boquilla no debe mecanizarse directamente en la placa del molde. Debe insertarse un casquillo, que se aisla de la placa del molde mediante rebajes de aire, minimizando las áreas de contacto;

- el casquillo debe rodear toda la longitud de la boquilla;

- los rebajes de aire deben mecanizarse con suficiente profundidad para que la pared restante del casquillo sea sólo de 2,5 mm de espesor;

- la capa aislante de plástico debe ser mayor de 3,5-4 mm;

- la distancia de la punta de la boquilla a la pared del casquillo es de 0,8m; y

- la longitud máxima de la boquilla es el doble del diámetro roscado.

Se conocen boquillas térmicamente conductoras que están en contacto de sellado con insertos o placas de molde. Se recomendaban para procesar termoplásticos de ingeniería, que pueden degradarse por exposición térmica prolongada y evitan que el material degradado pueda pasar al moldeado causando marcas no deseadas.

Una boquilla tan ajustada resulta en una mayor conducción térmica, que debe compensarse parcialmente mediante materiales con conductividad baja. Para evitar estas dificultades se utilizan, actualmente, sistemas calefactados.

Una ventaja importante de las boquillas calefactadas es la capacidad de controlar individualmente la temperatura de cada boquilla, independientemente de la temperatura del colector. El extracoste se compensa en las piezas de precisión y el único inconveniente es el calentamiento del molde en el área de contacto con la boquilla. De todos modos, para estos tipos de plásticos se recomiendan temperaturas de molde elevadas, de modo que esto puede no ser un problema.

En contraste con las boquillas descritas que tienen la punta de la boquilla aislada del molde, la boquila denominada Dynatherm está basada en un filosofía básicamente distinta. La punta de la boquilla está conectada térmicamente con el molde frío mediante una membrana metálica. El resto de la parte escalonada interior de la boquilla está aislado mediante una capa cerámica, en la que hay embebida una bobina calentadora que puede calentar rápidamente el interior de la boquilla.

Mediante el rápido cambio de temperaturas posible con este sistema, las paredes de la boquilla está caliente sólo durante la inyección y el mantenimiento de la presión y el bebedero se rompe al desmoldeo sin marca señalada.

Boquillas con orificio anular para bebedero directo

Las boquilas abiertas presentan el inconveniente de la punta que queda en la pieza y el riesgo de que se restrinja la abertura. Puede obtenerse una superficie relativamente lisa sin restricción convirtiendo la abertura central en una anular mediante una punta que llega al centro de la misma, que puede ser una aguja o una varilla.

Figura 3 - Los elementos calefactores para canales calientes adaptan su forma a la de las áreas en que se prescisa un mayor aporte de calor o se obtiene una mejor distribución.

Una ventaja adicional de esta punta es una conducción directa del calor en el área del bebedero, que lo mantiene abierto. Se distingue entre boquillas con las puntas calentadas y las que no lo son.

Entre las no calentadas hay tres clases basadas en principios distintos:

- boquillas con varilla fijada axialmente;

- boquillas en punta con taladros múltiples;

- boquillas con varillas térmicamente conductoras.

Entre las boquillas con varilla fijada axialmente, el orificio anular puede conformarse mediante una varilla flotante que se supone flotante en el fundido y, por tanto, autocentrante. Estas varillas pueden pegarse a la pared de la boquilla cuando se expansiona el colector y, dada su pequeña sección, proporcionan menos calor al bebedero que la variante que sigue.

Las boquillas térmicamente conductoras con taladros múltiples y el flujo fluyendo alrededor de la punta presentan diversas variantes. Han trabajado satisfactoriamente en la práctica con plásticos amorfos y cristalinos, con el único riesgo de que ocurran puntos mates en el área del bebedero por plástico frío barrido con el fundido.

La variante con casquillo es mejor térmicamente, aunque ocupa más espacio. La boquilla puede estar fijada a presión, teniendo la ventaja de ser autocentrante, independientemente de la temperatura del colector, o roscada, en cuyo caso se ha de considerar la expansión térmica del colector para un dimensionado correcto.

Puede conseguirse un nivel elevado de temperatura en la punta de la boquilla, esto es, poca diferencia con la del colector, si las áreas de contacto con el casquillo están limitadas a, por ejemplo, tres espaciadores distribuídos a lo largo de la circunferencia. El propio casquillo debe centrarse sobre el plato con no más de tres espaciadores y la instalación de un anillo de acero inoxidable entre el reborde de la boquilla y el casquillo permite reducir aún más la temperatura del colector, sin interferir con el funcionamiento de la boquilla.

Figura 4 - Las boquillas adoptan ejecuciones diversas según las características del material a inyectar, velocidad de moldeo y aspecto final de la pieza. Las boquillas para los materiales sensibles a la degradación térmica deben ser objeto de una cuidadosa selección.

La variante con taladros múltiples puede utilizarse para bebedero directo en moldes de una cavidad. Otra alternativa para el moldeo de termoplásticos de ingeniería es un sistema con una varila que conduce el calor del colector, evitando que se congele el bebedero. También existe este sistema para bebedero múltiple para espacios reducidos. Estos sistemas son simples, económicos, compactos y eficaces.

Existen sistemas de boquilla con varilla fija calentada, que queda rodeada por el fundido. La mayor velocidad del material se produce junto a la varilla, en tanto que se forma una capa aislante de material congelado en la zona del diámetro externo, que debe llegar hasta el área del bebedero.

Las ventajas de este sistema son:

- posibilidad de una distancia mayor entre el colector y el bebedero;

- control individual de temperatura en el área del bebedero, independientemente del colector, similar a las boquillas con calentamiento externo.

En contraste con la boquilla con calentamiento externo, este principio de canal aislado tiene algunos inconvenientes:

- temperatura heterogénea del fundido, caliente en el interior pero frío en el exterior;

- riesgo aumentado, mayor que en las boquilla conductoras del calor con casquillo, de que el material sea barrido de la capa aislante, que está congelado pero puede estar degradado por un largo tiempo de residencia. Esto puede causar defectos cosméticos o daño estructural en la pieza, particuarmente peligroso en piezas pequeñas en que puede representar un porcentaje importante del material;

- caída de presión elevada: para reducirla se ha de mantener la varilla bastante caliente;

- la temperatura local elevada puede resultar en la degradación térmica del material en la zona de la varilla;

- se precisan cartuchos calefactores de alta potencia debido al pequeño volumen de la varilla, que son difíciles de cambiar cuando se averían, lo que puede suceder con frecuencia.

En resumen, el sistema es poco válido para materiales de alta viscosidad y térmicamente criticos.

Boquillas con varillas de cierre

Si se instala una varilla móvil en una boquilla de canal caliente, el bebedero puede cerrarse como una válvula de aguja.

Boquillas con varillas de cierre no calentadas

Estas varillas llegan al fondo del colector, donde la presión de un muelle las empuja hacia adelante cerrando el bebedero. Al producirse la embolada, la presión de ésta empuja hacia atrás el reborde de la varilla y se abre el bebedero y al cesar, el muelle actúa cerrando de nuevo la punta de la boquilla. Estas varillas estan normalizadas y, por tanto, se puede reconstruir con ellas un colector con boquillas abiertas, si se desea.

Los sistemas hidráulicos o neumáticos para hacer funcionar la varilla son mejores aunque menos simples que los de muelle, porque funcionan con independencia de la presión del fundido. Existen otros sistemas que funcionan con una extensión de la boquilla de la máquina que funciona hidráulicamente.

Estos sistemas abren la posibilidad de producir artículos que estén hechos con varios componentes, ya que un bebedero controlable permite un ajuste del tiempo de abertura para suministrar al molde respectivo con el volumen y presión necesarios.

Boquillas con varillas de cierre calentadas

Igual que en el caso anterior, la varilla se usa como elemento de cierre, generalmente en combinación con canales aislados. Además de los pros y contras de los canales aislados con varillas calentadas, el choque de la apertura y cierre de la boquilla tiene como resultado una reducción de la vida de servicio de los cartuchos calentadores de alta potencia.

Los sistemas de boquilla con cierre tienen ventajas significativas:

- punto de bebedero liso, sin defecto o incluso refundido;

- la gran sección del bebedero después de la retracción de la varilla facilita el moldeo de materiales abrasivos o con flujo pobre;

- control sencillo de la temperatura en el bebedero

- la válvula de bebedero controlable permite el equilibrado;

- pueden evitarse líneas de soldadura mediante la apertura planificada de varios bebederos.

Por otra parte, existen los siguientes inconvenientes:

- moldes complejos, costosos y a menudo mayores;

- más peligro de fallos;

- desgaste.

En muchos casos la boquilla con orificio anular cumple los mismos objetivos que este tipo de boquillas con cierre, por lo que su elevado coste hace que se empleen poco pese a sus ventajas.

El colector caliente

El colector caliente tiene la función de conducir el fundido desde la boquilla de la inyectora hasta las del molde isotérmicamente, con una pérdida de presión lo más baja posible y sin degradación, especialmente en donde se precisan senderos de flujo largos.

Pese a su pobre conductividad térmica, se suelen construir taladrando un bloque de acero, de fácil atemperado y elevada resistencia. El calentamiento se efectúa mediante cartuchos externos. Se han utilizado también colectores tubulares para moldes grandes, que deben tener paredes gruesas para soportar la presión. Los colectores con calefacción interna son de hecho canales aislados con núcleo caliente. Es una ventaja el efecto autosellante de las capas congeladas, pero la temperatura no uniforme del fundido es una desventaja.

El diámetro de un canal caliente tiene un límite inferior determinado por una excesiva caída de la presión y un límite superior marcado por un tiempo de residencia excesivo.

El acabado interno debe ser lo más pulido posible y las curvas deben ser una continuación de los tramos rectos sin solución de continuidad. Para ello se utilizan los denominados elementos nodales o bien casquillos especiales que se fijan mediante un efecto de cuña. Los cierres de los canales, que cambian la dirección del flujo, son puntos críticos con respeco a un sellado conveniente y a la generación de residuos.

Resulta práctico dividir los colectores grandes en segmentos debido a que la expansión térmica puede compensarse mediante elementos de conexión, sin generar fuerzas. Si no es posible compensar las diferencias de expansión entre colector y molde, éstas producen fuerzas transversales a través de los espaciadores. Es importante que la conexión entre colector y conector tenga buenas características de flujo para evitar que se estanque material.

El problema básico del montaje es el de generar fuerzas adecuadas para un buen sellado entre las boquillas y el colector con un mínimo de conducción de calor, pero sin una presión localizada demasiado elevada. Esto se ha conseguido con pernos de tensión y, para boquillas calentadas externamente, se utilizan muelles Belleville, que producen fuerzas definidas.

El suministro del fundido

El suministro del fundido se hace con frecuencia mediante un casquillo de mazarota que se pone en contacto con la boquilla de la máquina. El taladro no precisa estar escalonado porque no hay un problema de desmoldeo. No pueden ocurrir escapes si la boquilla de la máquina entra en el casquillo como un émbolo.

Si la boquilla de la máquina se retrasa unos milímetros, se alivia la presión del material en el colector y no se producen problemas en las boquillas. En la boquilla se instala un filtro normal de fundido para retener partículas metálicas u otras impurezas del fundido, que podrían bloquear fácilmente el pequeño orificio de la boquilla de un sistema de bebedero directo.

Si no es posible efectuar un purgado correcto cuando se cambia de color o material, resulta adecuado diseñar la montura del canal caliente de modo que pueda desmontarse con facilidad sin desmontar todo el molde.

Mejorar otros parámetros

Equipar los moldes de inyección con sistemas de canales calientes aumenta sus posibilidades de maniobra y permite mejorar, en muchos casos, otros parámetros del moldeo.

Resultan particularmente adecuados cuando se utilizan materiales poco sensibles a la degradación térmica y en grandes series. Sin embargo, al considerar su adopción, debe tenerse en cuenta no sólo el incremento de costes, sino también que se está aumentnado la complejidad mecánica del molde y, con ello, el riesgo de averías.

Existe la tendencia a que sea el fabricante de moldes quien elige el sistema de canales calientes porque la validación del molde durante los ensayos en los centros apropiados le libera de ulteriores responsabilidades. Sin embargo, quien deberá lidiar con los eventuales problemas que genere el sistema de canales calientes será el moldeador y, por lo tanto, es conveniente que exista un acuerdo previo sobre el material a emplear entre ambas partes.

El transformador debe tener en cuenta, para aprobar esta selección, no sólo la calidad de la marca, sino muy especialmente la calidad y prontitud del servicio postventa que espera del suministrador en el caso de avería del sistema.

Se utiliza un colector caliente si el material se ha de distribuir fuera de la línea de partición. Es preciso en algunos moldes multi-cavidad, especialmente si las piezas tienen bebedero central

Las piezas con una gran relación de longitud respecto a espesor, que frecuentemente son piezas grandes, necesitan bebederos múltiples para ahorrar espesor de pared y obtener un llenado uniforme