Control o monitorización del proceso de inyección de plástico (Parte 2)

Cuestiones y situaciones ante un aumento de la variabilidad de un proceso, un proceso descontrolado o desviado.

Culpamos a algo

Enseguida tratamos de encontrar la causa de la variación sobrevenida a través de nuestras experiencias, deducciones, de forma empírica, etc. Y empezamos a retocar el proceso, a hacer reajustes, intentamos adivinar qué está pasando. Si la causa que estamos intentando atacar no soluciona el problema, probamos con otra causa.

Recordemos que cuando todo está cambiando sin control, hay caos y no existe una única causa raíz de la variabilidad.

Ajustamos el proceso constantemente

Ajustar constantemente el proceso no es una buena idea. Tenemos múltiples parámetros con sus múltiples (miles de) combinaciones y no corregiremos el problema de modo definitivo.

¿Desmontamos la máquina? ¿Desmontamos el molde? ¿Cambiamos el lote de material?

Claramente, solo si hay sospechas razonables de que el problema pueda estar ahí.

¿Tenemos los objetivos claramente definidos?

Medidas concretas, rango, tolerancia, variabilidad aceptada, aspecto, etc.

Recordemos que primero hay que minimizar la variabilidad y después alcanzar los objetivos dimensionales o estéticos.

¿Hemos investigado?

Pasos DMAIC:

• D – Definición del problema, medir variabilidad, objetivos, etc.
• M – Medición. Mejorar la variabilidad en la propia medición, equipos de control, técnicos de calidad, etc. La propia medición provoca cierta variabilidad y debe minimizarse al máximo.
• A – Análisis del proceso, conocer la física del proceso, identificar los parámetros más relevantes en cada situación, conocer las relaciones causa-efecto de los parámetros clave, realizar SOP para las actividades clave (deshumidificado, control de recuperados, arranques y paros de proceso, intervenciones de mantenimiento, etc.) de forma procedimentada.
• I – Inputs. Control de las entradas del proceso. Cuantas más entradas tengamos controladas, registradas y podamos analizar en momentos de desviación de procesos, mejor.

Hasta aquí tenemos que minimizar la variabilidad de salida; pueden ser necesarias inversiones.

• C – Control del proceso a lo largo del tiempo. Auditorías de proceso, control estadístico, etc.

Objetivo: dar en el blanco, alcanzar el objetivo de la manera más barata, fácil y productiva y que esta situación se mantenga en el tiempo.

Resaltar que en el apartado A de Análisis del proceso tenemos dos tipos de análisis principalmente:

• Análisis físico del proceso. Análisis de la influencia de la variación de los inputs o parámetros en los outputs o dimensiones. Física del proceso, causa-efecto.
• Análisis matemático del proceso. Para conocer el proceso, conocer los límites del mismo, capacidad del proceso, predicción de condiciones para determinados objetivos, etc.

Estos análisis nos pueden determinar cuáles son las tolerancias de cada parámetro clave y podemos acotar el rango de valor de los parámetros donde nos podemos mover cuando realicemos modificaciones de los mismos, las famosas tolerancias de los parámetros de inyección.

También nos pueden ayudar a tener protocolos de modificación de parámetros ante desviaciones concretas.

Conocer de antemano qué parámetro hay que reajustar y en qué tolerancia podemos reajustarlo ante desviaciones de proceso es una gran ventaja de conocimiento del proceso obtenida a través del análisis matemático del mismo.

Las principales variables que vamos a controlar en inyección de plásticos, las razones por las que son importantes para el control del proceso y las tolerancias permitidas para una correcta fabricación se comentan a continuación.

Estas variables también nos servirán para asegurar el proceso en casos de duplicarlo o replicarlo en otras máquinas. Si queremos fabricar piezas idénticas, tendremos que duplicar también estas variables.

1. Tiempo de inyección o de llenado de la cavidad

El tiempo de llenado viene determinado por la velocidad de inyección y por el recorrido del husillo. Este tiempo de llenado determina la viscosidad o fluidez del material (curva de viscosidad).

Si la máquina está programada correctamente, el proceso tendrá un tiempo de inyección real con resultados dentro de una estrecha tolerancia. Es necesario que los tiempos de inyección sean repetitivos porque estamos definiendo la viscosidad del material fundido a través del shear rate. El factor que más afecta a la fluidez o viscosidad del material es el shear rate y este viene afectado por el tiempo de inyección.

Es importante mantener el tiempo de inyección idéntico entre ciclos (tolerancia, según autores, ±0,04 segundos o también ±3%) para mantener idéntica la viscosidad ciclo a ciclo e inyectada a inyectada.

2. Presión de inyección específica en el punto de conmutación

Esta presión es la presión necesaria para alcanzar el punto de cambio del llenado dinámico de la cavidad a la fase de compactación o pack and hold. Es un punto crítico que debe estar programado en un llenado dinámico volumétrico del orden del 95-98% de la cavidad.

Esta presión normalmente, en un proceso controlado, variará entre inyectadas unos cuantos bares, pero no debe existir una tendencia de variación de presión creciente o decreciente de más de tres o cuatro inyectadas seguidas.

Esta presión variará con oscilaciones normales entre ciclos debido a que en cada ciclo la máquina tendrá necesidad de más o menos presión para alcanzar el punto de conmutación a la velocidad programada en el setting, de modo que, para cumplir el tiempo de inyección (con las estrechas tolerancias comentadas), la máquina utilizará la presión necesaria dentro del rango permitido con el parámetro Delta P. Lo crítico y esencial aquí es que la máquina repita el tiempo de inyección y para ello utilizará la presión que necesite.

Pero si esta presión toma una tendencia ascendente o descendente continua, esto nos indicará que algo ha cambiado en el proceso, en el material, el molde o en la propia máquina. En este caso es necesario comprobar las razones de este cambio, por ejemplo, humedad en el material, tipo de colorantes, contaminación, etc. Los casos más habituales son variaciones en la viscosidad del material inyectado.

3. Tiempo de dosificación

El tiempo de dosificación controla la temperatura de la masa fundida. Un menor tiempo significa normalmente más velocidad de giro y, por tanto, mayor shear aplicado al material en el interior de la unidad de inyección.

El husillo, en algunos materiales, genera hasta un 80% de la energía necesaria para fundir el material plástico sólido, por lo tanto, su modo de funcionamiento es el principal actor en la fusión del plástico. Las resistencias exteriores del cilindro tienen una gran función cuando arrancamos el proceso y empieza la fusión dentro del cilindro.

Si la velocidad de giro del husillo cambia, cambia el shear aplicado, cambia la energía aportada al plástico y cambia la viscosidad del material, por lo que no tendremos un proceso estable y repetitivo.

La contrapresión a la carga es determinante en esta variable; debe ser constante ya que afectará a la temperatura de la masa fundida, a los tiempos de dosificación y a la densidad de la dosis a inyectar.

4. Cojín del husillo y peso de las piezas inyectadas

El cojín nos asegura que trasladamos presión aguas arriba y presurizamos el molde correctamente. Un cojín 0 significa falta de presión en el molde para obtener piezas correctas.

El cojín también tendrá variaciones ciclo a ciclo, pero son aceptadas variaciones normales; su función es precisamente de 'amortiguador' o cojín para asegurar la transmisión de presión y ser un elemento de adaptación final del proceso de presurización de la cavidad.

Estas variaciones ciclo a ciclo, como en el caso de la presión en el punto de conmutación, no deben tener una tendencia creciente o decreciente; de lo contrario, es un indicador de que algo ha cambiado en máquina, molde, material o proceso.

El peso de las piezas es un output que nos indica la repetibilidad del proceso igual que el cojín, pero atención: para determinar las tolerancias máxima y mínima de peso de las piezas debería hacerse un estudio para identificar los límites fuera de los cuales las piezas son defectuosas por mal funcionamiento, medidas, etc.

5. Tiempo de ciclo

Al ser el proceso de inyección, en general, un proceso térmico, para fabricar piezas repetitivas es necesario un ciclo repetitivo. Especial atención a los ciclos semiautomáticos con operario y a la repetibilidad del ciclo.

Atención también a la repetibilidad del tiempo de compactación en procesos con entrada abierta después del tiempo de compactación. Estos procesos son llamados “tiempo-dependientes” y las piezas variarán en función de las variaciones de este tiempo de compactación.

6. Temperatura de la masa de material fundida

La temperatura de la masa fundida es crítica y debe ser idéntica durante todo el ciclo y toda la producción.

Ajustar las condiciones térmicas del material en el setting de máquina no garantiza una estabilidad de la temperatura de la masa fundida durante la fabricación debido principalmente a los factores añadidos que afectan a esta temperatura, como son la velocidad de giro del husillo, la contrapresión a la carga, etc.

Además, los termopares que proporcionan las temperaturas en la pantalla solo miden las temperaturas del acero, no la temperatura de fusión real. Sería muy interesante que los fabricantes de máquinas montaran ya sistemas prácticos para medir la temperatura real de la masa fundida dentro del cilindro a través de sensores.

7. Temperatura del molde

La temperatura del molde va a controlar la velocidad de enfriamiento. Esto, en materiales semicristalinos, es fundamental para obtener un determinado nivel de cristalinidad.

La repetibilidad y estabilidad de la temperatura del molde va a incidir directamente en el nivel de estabilidad de la cristalización de las piezas fabricadas, además de su relación con las contracciones, presión de llenado, aspecto superficial, etc.

Normalmente controlamos la temperatura del agua, pero la mayoría de los atemperadores o controladores de temperatura varían el caudal de salida en litros por minuto y también presentan variabilidad en la presión, lo que cambia el caudal de agua que circula por el molde.

Todo ello sin contar con los potenciales problemas de calidad y limpieza del agua, como suciedad, incrustaciones, óxido, cal y otros.

No existe todavía en la industria transformadora la cultura del control o monitorización de los litros por minuto de caudal que circulan por el molde en circuitos críticos. Este caudal es fundamental para mantener el número de Reynolds y saber si estamos en turbulencia, lo cual, además de proporcionar condiciones óptimas de refrigeración, ofrece una temperatura más uniforme y estable.

Los sensores de temperatura en cavidad son buenas soluciones para monitorizar la temperatura de moldes con altas exigencias, así como el control frecuencial de las temperaturas de entrada y salida del agua en circuitos críticos.

Estos factores, outputs o variables son fundamentales para conocer el nivel de estabilidad, repetibilidad y consistencia del proceso de inyección de plástico.