Calefactado de moldes ultra finos para el moldeo por inyección

Si alguna vez ha intentado hacer barquillos, entonces conocerá el siguiente problema: Los barquillos solo salen bien si previamente se calienta la bandeja a la temperatura correcta. Este mismo principio se aplica a la fabricación de piezas de plástico, como pantallas, frentes, cubiertas y paneles de instrumentos, empleando la técnica de moldeo por inyección. Al molde de conformado de acero se le inyecta un caldo de plástico líquido calentado igual que una bandeja para barquillos.

Componentes de plástico más eficientes en términos de coste con una calidad de superficie mejorada: Este molde de moldeo por inyección está equipado con recubrimientos de temple de capa fina (área circular en cada mitad del molde abierto).

El truco es producir un colado perfecto de la superficie del molde, que puede ser suave como un espejo o tener una estructura funcional. Lo que se pretende es emplear el moldeo por inyección para conseguir unas calidades de superficie funcionales y estructurales de las piezas de plástico, como proceso de un solo paso sin la necesidad de ningún trabajo de acabado. El proceso tiene que ser también económico y eficiente en términos de energía.

Para fabricar piezas de plástico con superficies de gran acabado, el molde de conformado completo se calienta a aproximadamente 110 grados Celsius utilizando una técnica conocida como atemperado variotérmico. Los materiales termoplásticos como el policarbono se procesan a temperaturas similares. Con el fin de conseguir una pieza de plástico acabada sin dañarla, el molde debe templarse a aprox. 20 a 30 grados Celsius. Esto debe realizarse para cada ciclo de producción antes de volver a iniciar de nuevo todo el proceso, “un proceso que requiere una cantidad considerable de energía”, tal y como explica Alexander Fromm del Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM en Friburgo.

En un intento por mejorar la situación, Fromm y sus colegas contactaron con el Kunststoff-Zentrum o centro de materiales de Leipzig para desarrollar una nueva técnica de temperatura que, en función del producto, es un 90 por ciento más eficiente en términos de energía que el resto de técnicas utilizadas hasta la fecha. El truco es evitar el calefactado de todo el molde; puede pesar media tonelada o incluso más dependiendo de la pieza de plástico que se esté produciendo. Todo lo que ahora se calienta es la superficie del molde que entra en contacto con el adhesivo de plástico.

Esto es posible gracias al calefactado de capa fina. Los investigadores cubren la pared de los moldes de conformado utilizando una técnica de recubrimiento en vacío, conocida como metalizado. Imagine un juego de piscina en el que los balones son átomos del material base (en este caso, de la película fina). El calefactado con iones ricos en energía los manda a moverse alrededor de la cámara de vacío. El material metalizado se deposita en la superficie del molde de conformado en capas con una anchura de tan solo unos pocos micrómetros (1 micrómetro es igual a mil milímetros). Para ponernos en contexto, un pelo humano tiene aproximadamente 80 micrómetros de anchura. Este recubrimiento extremadamente fino no solo se utiliza para calentar la superficie de los moldes de conformado a la temperatura deseada, sino que también es capaz de resistir las fuerzas termodinámicas que ocurren durante el moldeado por inyección.

Se proporciona aislamiento eléctrico mediante una capa cerámica que protege la capa de calefactado conductiva desde la parte inferior del molde de acero. La capa que ahora se calienta está fabricada con un material duro conductivo diseñado específicamente para tal fin. En este caso, el reto del mecanizado está no solo en producir una capa aislante perfecta para evitar cortocircuitos, sino en integrar un sensor en la delgada capa de calefactado. Un sensor ubicado en este punto mide la temperatura de la pared del molde y se utiliza para regular el proceso de fabricación.

Para lograrlo, los investigadores proceden a integrar termopares increíblemente finos, fabricados en niquel o aleaciones de níquel-cromo y cada uno de ellos con tan solo unos pocos cientos de nanómetros de espesor. Los termopares pueden producirse utilizando la tecnología de capa fina e incorporándolos a la capa aislante. Debido a su masa extremadamente baja, los termopares reaccionan increíblemente rápido a los cambios de temperatura y hacen posible medir directamente la temperatura de la pared del molde. A través de una serie de experimentos de laboratorio, los investigadores han sido capaces de demostrar que el calefactado de capa fina puede utilizarse para lograr la temperatura de pared deseada de forma muy rápida. Los investigadores buscan ahora socios industriales que les ayuden a preparar el proceso para el uso en fabricaciones en serie.