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  2. Investigación y desarrollo de nuevas combinaciones de materiales   (01/05/2005)

A partir de la técnica de inyección multimaterial

Investigación y desarrollo de nuevas combinaciones de materiales

Como una de las mayores líneas emergentes dentro de las tecnologías de procesado de plásticos, la inyección multimaterial está ampliando constantemente su peso en el mercado: componentes bicolor, piezas macroscópicamente constituidas por una fase elastomérica y una fase rígida, elementos con un núcleo y una piel exterior de distinta naturaleza.
Tania Porcel, ingeniera técnica en diseño industrial del departamento I+D+i de la Fundación Ascamm.
Resulta de suma importancia el fomento de las actividades de investigación encargadas de aumentar el conocimiento general sobre los materiales, particularmente todo lo referido a las características definitorias de su potencial aplicabilidad en tecnologías de inyección multimaterial (compatibilidad fisicoquímica entre materiales, resistencia mecánica de las interfases, estructura cristalográfica en las zonas de soldadura, previsión de las diferencias de contracciones y post-deformaciones, efecto de las fibras de refuerzo, tensiones inducidas en las líneas de unión, fiabilidad de los resultados obtenidos mediante los softwares de simulación reológica, etc).

Con este objetivo el Centro Tecnológico Ascamm y AITIIP y se han unido para colaborar en el proyecto Multimat y profundizar en el estudio de la tecnología multicomponente, concretamente en la variante de la biinyección, aportando nuevos datos sobre compatibilidad entre materiales por cuantificación de la fuerza de cohesión en la zona de soldadura, sobre la influencia de las condiciones de inyección y de los refuerzos para un conjunto representativo de parejas de materiales termoplásticos.

Los últimos avances en el desarrollo de materiales técnicos y la tendencia creciente a reducir costes en los procesos de transformación han sido los criterios para la elección de los materiales plásticos y las correspondientes combinaciones que se muestran seguidamente:

Combinaciones de materiales previstas para su estudio

Para el desarrollo del proyecto, el Centro Tecnológico Ascamm ha incorporado una segunda unidad de plastificación satélite de Sandretto que se adapta a la inyectora monomaterial mediante un interface mecánico que se fija en las columnas por el lado opuesto al operario y en una disposición horizontal.

Para este proyecto se diseñó un molde de ensayo de dos probetas para termoplásticos y elastómeros (normalizado bajo UNE-EN ISO 527) con el que se obtuvieron las muestras a analizar. Además se contó con la colaboración de Merquinsa, una de los principales empresas productoras de elastómeros termoplásticos derivados del poliuretano (TPUs).

La tecnología de biinyección escogida es la variante denominada Core-Back que permitirá evaluar las características mecánicas de las probetas en la zona de soldadura gracias a la incorporación de un componente móvil (noyo retráctil) en el útil de ensayo. La secuencia del proceso es la siguiente: se inicia la inyección del primer material en el molde, seguido del tiempo de enfriamiento del primer material (tiempo de retardo del carro). A continuación se inicia la actividad de la parte móvil que deja libre la cavidad para alojar el segundo material, inyección del segundo material.

Muestras de parejas de materiales estudiados.

En cada uno de los ensayos de las distintas parejas de materiales se recogieron los datos más relevantes que más tarde se cotejarían con los parámetros obtenidos de la simulación reológica. Algunos de ellos son los tiempos de inyección, tiempo de retardo para la inyección del segundo material, temperaturas de procesado y presiones de compactación.

El análisis de las primeras pruebas permitió llegar a conclusiones referidas tanto a proceso como al diseño de molde y selección de materiales. Para evaluar la zona de soldadura y valorar la adhesión se efectuaron ensayos mecánicos a tracción, análisis de la estructura cristalográfica mediante microscopio óptico y cálculos de simulación reológica.

La secuencia de inyección de los materiales se planteó atendiendo a dos criterios:

  • Criterio 1: en función del punto de fusión (melting point): El material con la temperatura de procesado menor se inyecta en primer lugar (desde el husillo principal) seguido por el material con el punto de fusión mayor.
  • Criterio 2: por comportamiento rígido-blando (soft-touch): cuando las combinaciones contenían un elastómero (TPU) se inyectaron desde el grupo principal los materiales rígidos (temperaturas de procesado generalmente más altas) y seguidamente, desde el grupo satélite, los materiales blandos (temperatura de procesado menor). Se pretendía que el segundo material encontrase una pared rígida al ser inyectado, de forma análoga a la mayoría de aplicaciones softtouch.

Para poder comparar los resultados obtenidos de los ensayos de resistencia a la tracción de las muestras, también se inyectó una combinación PP + PP de referencia. El resultado en los ensayos a tracción fue cotejado con las tablas normalizadas de resistencia a tracción de probetas de PP transformadas por inyección convencional. Como cabía esperar la muestra de inyección convencional es un 45 % mayor a la resistencia a tracción de la probeta transformada por biinyección.

Conclusiones

En cuanto a proceso se observó que el tiempo de enfriamiento del primer material respecto al segundo suele ser muy largo y que el control de éste es más sencillo desde el segundo plastificador a través del ‘tiempo de retardo del carro’ que determina el inicio de la inyección del segundo material. También los tiempos de inyección son cortos lo que exige una velocidad de llenado elevada. Aunque el material que se inyecta en segundo orden debe presentar una temperatura mayor a la del primer material, en general, las temperaturas de procesado son elevadas para ambos materiales.

En cuanto a diseño de molde cabe destacar que para una buena adhesión, la superficie de contacto entre ambos materiales debe ser la suficiente y, aunque no se ha contrastado empíricamente, seguramente un grabado en las paredes del noyo retráctil ayudaría a mejorar el anclaje entre los dos materiales.

A nivel de materiales para favorecer la adhesión entre los materiales rígidos y flexibles (soft-touch) la inyección del material rígido sobre el flexible (temperatura de masa generalmente inferior) sería lo ideal aunque, como en la mayoría de aplicaciones en las que se sobreinyecta un elastómero termoplástico sobre un alma rígida, el orden inverso es necesario para evitar compresiones y deformaciones de la goma por efecto de la presión de inyección del segundo material.

En los materiales reforzados, la presencia de la fibra de vidrio empeora el grado de adhesión entre los materiales. Esto es debido a la orientación que adopta la fibra al final del recorrido del flujo (zona de contacto con el segundo material). A continuación se detalla la problemática de la orientación de la fibra.

Para la evaluación de los casos de parejas más problemáticos como son las combinaciones con un material con refuerzo, en este caso un 30% de fibra de vidrio, se realizaron dos tipos de análisis, por un lado, análisis cristalográficos mediante el microtomo y también ensayos reológicos que facilitaron la comprensión de la orientación de la fibra y la dificultad que manifiestan estos materiales a la adhesión con su pareja.

Los resultados de los análisis reológicos muestran como alta probabilidad de alineación de la fibra en la dirección principal especificada (dirección del flujo) con valores cercanos a 1 en la escala del resultado; mientras que una probabilidad más baja se indica a través de un valor cercano a 0. Se extrapola que los valores 1 muestran una ordenación de la fibra isotrópica paralela al flujo del material, mientras que los valores cercanos a 0 muestran una ordenación de la fibra anisotrópica, perpendicular al flujo.

Para poder comparar los resultados también se inyectó una combinación PP + PP de referencia

Análisis reológico

Las mismas conclusiones se extraen de los análisis cristalográficos a través del microtomo, donde las zonas de color más claras (lado izq.) indican una ordenación de la fibra paralela al flujo y la zona más oscura (final de pieza) indica una ordenación de la fibra perpendicular al flujo. Ésta parece ser la causa de la dificultad de la adhesión de la combinación de dos materiales, uno de ellos con refuerzo.

Análisis cristalográfico

gentes planteadas en este proyecto para el análisis de su compatibilidad fisicoquímico se concluye que todas las parejas que no contienen refuerzos de fibra muestran adhesión con diferentes valores de resistencia a la tracción mientras que las parejas con cargas tienen dificultades para la adhesión entre materiales independientemente de la base polimérica estudiada.

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