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Nuevas tecnologías en la fabricación de juguetes

Asunción Martínez
Dpto. Ingeniería de Producto y Ensayos de AIJU
15/10/2003
El sistema de fabricación de juguetes se ha mantenido estable en un cierto nivel en los últimos años, empleándose mayoritariamente la transformación mediante inyección. Este método presenta ventajas frente a otros como la amplia gama de materiales que pueden emplearse o la posibilidad de automatización de gran parte del proceso. La utilización de técnicas como la inyección asistida con gas permite además resolver problemas de acabado en piezas complejas o reducir la cantidad de material, entre otras cosas, lo cual no es posible con inyección convencional. En muchos casos se ha intentado, sobre los procesos ya existentes, realizar mejoras y modificaciones, pero ninguna se ha impuesto.
Con objeto de facilitar la introducción de nuevas técnicas basadas en la inyección en el proceso de fabricación de juguetes, se ha desarrollado un proyecto en AIJU financiado por Profit, en el cual se ha realizado un estudio de la técnica de inyección con gas, que aunque conocida, todavía no tiene una fuerte implantación en el sector juguete y no se conocen todas sus posibilidades. El porqué no se ha realizado este cambio puede ser debido al desconocimiento técnico en el desarrollo de moldes y las nuevas tecnologías, entre otros. En un segundo proyecto también financiado por Profit se ha realizado un estudio experimental más amplio de las variables del proceso de inyección asistida por gas, con el fin de profundizar en el conocimiento del flujo de distintos materiales y del gas en las distintas etapas del proceso. En ambos proyectos se ha contado con la participación de Ascamm en ciertas tareas.

Como es conocido, la inyección con gas permite la fabricación de piezas huecas, con el consiguiente ahorro de material y sustitución de otros procesos menos automatizados. También se resuelven con esta técnica muchos problemas de acabado en piezas complejas, presentando la ventaja adicional de que se puede incorporar un módulo sobre un equipo de inyección convencional, con lo que no requiere una inversión importante. En productos tan temporales como el juguete, puede ser una ventaja (sobre todo para empresas auxiliares), ya que en épocas de baja demanda se puede orientar la producción hacia otros campos.

Dentro de las tareas realizadas se incluyó un amplio estudio sobre la situación actual de la industria del juguete en cuanto a tecnología de transformación y necesidades. A través de consultas de los clientes de Aiju, presentaciones y cursos de formación llevados a tanto en las instalaciones de Aiju, como en cursos a medida en diversas empresas, se ha recabado información sobre las necesidades tecnológicas, de innovación y otros problemas de piezas concretas. De esta forma se ha estudiado la posibilidad de aplicación de las técnicas de inyección con gas como solución a ciertos problemas y se ha constatado el gran interés de los fabricantes en esta tecnología.

También se ha estudiado la presencia actualmente de maquinaria de inyección con en las empresas de la zona, comprobando que en ciertas empresas de elevado volumen de ventas se dispone de alguna de estas máquinas. Sin embargo, en la gran mayoría, aunque conocida, esta técnica no se ha implantado todavía, en parte por el desconocimiento de la totalidad de aplicaciones posibles. Tanto las empresas que disponen de esta maquinaria como las que no, han mostrado un gran interés en cuanto al estudio a llevar a cabo para seleccionar piezas novedosas y conflictivas con el fin de obtenerlas mediante inyección con gas.

Es importante constatar, que la implementación de la tecnología de inyección asistida por gas en el sector juguetero, tiene unos costes de inversión necesarios para las empresas implicadas, derivados de la adquisición de nuevos equipos, renovación o modificación del actual utillaje y de formación específica de personal en las nuevas tecnologías, siendo una apuesta de futuro de clara rentabilidad.

Para la realización del proyecto se adquirió un equipo de gas para adaptar a la máquina de inyección disponible en Aiju. Éste consiste en una unidad compacta de compresión de gas más controlador de las condiciones del gas. Con este equipo se comprime el nitrógeno suministrado mediante un generador de nitrógeno, a la presión adecuada. A su vez permite controlar las condiciones de inyección del gas: tiempo de retención, presión, etc. Esta unidad se adapta a la máquina de inyección, la cual está preparada para ello.

Resultados obtenidos:

Se fabricó un molde de espiral de forma cilíndrica, con el cual se puede estudiar de manera adecuada el flujo de gas y de material en distintas condiciones. En la Figura 1 se muestran fotografías de las dos partes del molde fabricado.

foto 1 del molde de espiral en la maquina de inyección

Tras el estudio de los fundamentos teóricos necesarios para el desarrollo del trabajo: propiedades generales de los polímeros; tipos de polímeros; maquinaria para la inyección asistida por gas; diseño de moldes, y todo lo relacionado con el tema de inyección; se procedió a inyectar variando los distintos parámetros de inyección de polímero y gas:

Localización de los puntos de inyección de polímero y de gas

Esta parte se estudió con anterioridad durante el diseño del molde, determinándose la localización más adecuada de ambos puntos de inyección. El proceso de inyección con gas se puede clasificar en función de la entrada del material en tres tipos:
  • a. Proceso short shot o pieza corta: este proceso consiste en un llenado parcial de la cavidad con el polímero seguido de la inyección con gas. El gas empuja el material hasta llenar por completo la cavidad, de tal forma que la pieza queda hueca en las zonas en las que se introduce el gas.
  • b. Proceso full shot o pieza completa: en este caso se inyecta el plástico llenando toda la cavidad del molde, inyectando el gas posteriormente. El material sobrante pasa entonces a una cavidad auxiliar o rebosadero que se encuentra a continuación, quedando la pieza hueca.
  • c. Proceso de retroceso por boquilla de máquina: el material es inyectado por un extremo del molde y seguidamente se inyecta el gas por el otro extremo. A través de la boquilla se realiza un retroceso o aspiración del material sobrante que desplaza el gas.

Por ello, el molde se ha diseñado y fabricado para realizar los dos primeros tipos de procesos de inyección con gas: el Proceso short shot o pieza corta y el Proceso full shot o pieza completa, considerándose el tercer tipo de mayor complejidad al tener que realizar modificaciones en la boquilla de inyección. La cavidad de espiral posee un rebosadero de 125 mm de longitud que permite realizar el segundo tipo de proceso.

En cuanto al punto de introducción del gas se diseñó de forma que éste entrara a través de la cavidad, ya que este tipo de inyección (en un punto separado al de la inyección del material) ofrece muchas ventajas para piezas asimétricas y permite flexibilidad en el posicionado de la aguja de gas, la cual se ha colocado cerca del punto de inyección del material en este molde. Las pruebas iniciales de inyección con gas empleando el molde indicado se han realizado con polipropileno (el gas utilizado ha sido nitrógeno).

La refrigeración del molde se ha diseñado inicialmente junto con la figura del molde, considerando que el refrigerante es agua, con lo que la geometría de los circuitos de refrigeración se diseñó y fabricó en función de la pieza espiral

Temperatura del molde y del polímero fundido

La temperatura del molde influye de manera notable en la calidad de las piezas, así como la del polímero ya que temperaturas elevadas provocan que el polímero sea muy fluido y el gas puede provocar zonas irregulares, con burbujas y desplazamientos de material por zonas no deseadas (ya que el gas circula por las zonas donde menos resistencia encuentren).

Temperaturas demasiado bajas conducen a un enfriamiento más rápido del material por lo que el gas no puede desplazar todas la masa de polímero que sería esperable, conduciendo a una pieza de paredes más gruesas, e incluso provocando el desplazamiento de la pieza dentro de la cavidad, en ciertos casos, al no poder circular el gas por dentro de la pieza. Además puede ocurrir que al no poder circular el gas por dentro de la pieza éste se vea obligado a retroceder, vaciando material del bebedero.

Volumen de la cavidad llenado por el polímero en el instante que comienza la inyección del gas

Como se ha indicado en la etapa anterior, el molde se ha diseñado para poder realizar dos tipos de procesos. En el caso del proceso de inyección sin llenar toda la cavidad se han ido probando distintos volúmenes de llenado de la cavidad por el polímero, y a continuación se ha inyectado el gas. Los parámetros que se han controlado y variado durante el proceso son el tiempo de retardo del gas, el tiempo de inyección del gas y la presión del gas durante la etapa de llenado y compactación.

Si el volumen de material es poco al inicio de la inyección con gas, éste puede atravesar la pieza y avanzar más deprisa que el material, pues no existe material suficiente para ser desplazado.

Si por el contrario, el volumen de material plástico es excesivo éste se enfría, con lo que para inyectar la pieza completa hay que aumentar la presión del gas y las paredes de la pieza son más gruesas al no haberse vaciado mucho material.

Perfil de velocidades en la inyección del polímero

Las pruebas de inyección con gas realizadas hasta el momento se han llevado a cabo a velocidad de inyección del material constante de 30 mm/s. La inyección, empleando distintos perfiles de velocidad, está pendiente de realizarse para comprobar si afecta al proceso de manera notable.

Las variables estudiadas en la etapa anterior se están llevando a cabo en estos momentos con distintos materiales, buscando los efectos que, sobre el proceso, también poseen el grado de cristalinidad del polímero empleado, el índice de fluidez y otras propiedades, así como la presencia de distintos aditivos, como pigmentos y cargas.

En breve se finalizará este estudio completando los resultados con los ensayos necesarios de caracterización de las piezas inyectadas mediante medidas dimensionales de las paredes y uniformidad del espesor a lo largo de la pieza, para comprobar la efectividad del gas al vaciar el material, peso de las piezas en las distintas condiciones, etc. Finalmente se contrastarán los resultados obtenidos experimentalmente, con los que ofrece la simulación asistida por ordenador.

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