PROCESOS DE CONFORMADO PARA PLÁSTICOS

Los plásticos pueden conformarse en una variedad amplia de productos, tales como piezas moldeadas, secciones extruidas, películas y hojas, recubrimientos para aislar alambres eléctricos y fibras para textiles. Además, es frecuente que los plásticos sean el ingrediente principal de otros materiales, como pinturas y barnices, adhesivos y varios compuestos de matriz de polímero. En este capítulo se estudian las tecnologías por las que estos productos reciben su forma, y se deja para capítulos posteriores el análisis de pinturas y barnices, adhesivos y compuestos. Muchos procesos para darles forma a los plásticos se adaptan a los cauchos.

La relevancia comercial y tecnológica de estos procesos para dar forma se deriva de la creciente importancia de los materiales que se procesan. Durante los últimos 50 años, las aplicaciones de los plásticos se han incrementado a una tasa mucho más rápida que la de los metales o los cerámicos. La realidad es que muchas piezas que antes se hacían de metales, hoy se elaboran con plásticos y compuestos de plástico. Lo mismo ha ocurrido con el vidrio; los contenedores de plástico han sustituido ampliamente a las botellas de vidrio y jarras en el empaque de productos. El volumen total de los polímeros (plásticos y cauchos) excede hoy día el de los metales. Es posible identificar varias razones por las que los procesos para dar forma a los plásticos son importantes: 

• La variedad de los procesos de formado y la facilidad con que se procesan los polímeros permiten una diversidad casi ilimitada de formas geométricas de las piezas por formar. 
• Muchas piezas de plástico se forman por moldeo, que es un proceso de forma neta; por lo general no se necesita una conformación adicional. 
• Aunque generalmente se requiere calentamiento para conformar los plásticos, se necesita menos energía que para los metales porque las temperaturas de procesamiento son mucho menores. 
• Debido a que en el procesamiento se emplean temperaturas menores, el manejo del producto se simplifica durante la producción. Debido a que muchos métodos para procesar plástico son operaciones de un solo paso (por ejemplo, moldeo), la cantidad de manejo del producto que se requiere se reduce de manera sustancial en comparación con los metales. 
• No se requiere dar a los plásticos acabados con pintura o recubrimientos (excepto en circunstancias inusuales). 

Como se estudió en el capítulo 8, los dos tipos de plásticos son los termoplásticos y los termofijos. La diferencia está en que los termofijos pasan por un proceso de cura durante el calentamiento y la conformación, lo que ocasiona un cambio químico permanente (enlazamiento cruzado) en su estructura molecular. Una vez curados, no pueden fundirse si se vuelven a calentar. Por el contrario, los termoplásticos no se curan, y su estructura química permanece en lo básico sin cambios si se recalientan, aun cuando se transformen de sólido a fluido. De los dos tipos, los termoplásticos son, por mucho, el tipo de mayor importancia comercial, y comprenden más de 80% del peso total de los plásticos. 

Los procesos para dar forma a los plásticos se clasifican de acuerdo con la forma geométrica del producto resultante: 1) productos extruidos continuos con sección transversal constante distinta de las hojas, películas y filamentos; 2) hojas y películas continuas; 3) filamentos continuos (fibras); 4) piezas moldeadas que son, sobre todo, sólidas; 5) piezas moldeadas huecas con paredes relativamente delgadas; 6) piezas discretas hechas de hojas y películas formadas; 7) fundidos y 8) productos de espuma. En este capítulo se estudiará cada una de estas categorías. Los procesos más importantes en el comercio son aquéllos asociados con los termoplásticos; los dos procesos de moldeo de mayor significancia son por extrusión y por inyección. En la nota histórica 13.1 se presenta una historia breve de los procesos para dar forma a los plásticos. 

Se comienza el estudio de los procesos de dar forma a los plásticos por medio del análisis de las propiedades de los polímeros fundidos, porque casi todos los procesos para dar forma a los termoplásticos comparten la etapa común de calentar el plástico de modo que fluya.

PROPIEDADES DE LOS POLÍMEROS FUNDIDOS 

Para dar forma a un polímero termoplástico éste debe calentarse de modo que se suavice hasta adquirir la consistencia de un líquido. Esta forma se denomina polímero fundido, que tiene varias propiedades y características únicas, que se estudian en esta sección. 

Viscosidad Debido a su alto peso molecular, un polímero fundido es un fluido espeso con viscosidad elevada. Tal como se definió el término en la sección 3.4, la viscosidad es una propiedad de los fluidos que relaciona la fuerza cortante que se experimenta durante el movimiento del fluido con la tasa de deformación. La viscosidad es importante en el procesamiento de polímeros porque la mayoría de métodos para dar forma involucran el flujo del polímero fundido a través de canales pequeños o aberturas de troqueles. Es frecuente que los gastos o caudales sean elevados, lo que genera tasas elevadas de corte; y las fuerzas de corte se incrementan con la velocidad de corte, por lo que se requieren presiones significativas para efectuar los procesos. 

En la figura 13.1 se muestra la viscosidad como función de la velocidad de corte para dos tipos de fluidos. Para un fluido newtoniano (que incluye la mayor parte de fluidos simples, como agua y aceite) la viscosidad es constante a una temperatura dada; no cambia con la velocidad de corte. La relación entre la fuerza cortante y la deformación cortante es proporcional, con la viscosidad como constante de proporcionalidad:

donde τ fuerza cortante, Pa (lb/in2 ); η coeficiente de viscosidad cortante, Ns/m2 , o Pas (lb-s/in2 ); y · velocidad de corte, 1/s (1/s). Sin embargo, para un polímero fundido, la viscosidad decrece con la velocidad de corte, lo que indica que el fluido se vuelve más delgado a tasas más elevadas de corte. Este comportamiento se llama seudoplasticidad, y lo modela la expresión siguiente con una aproximación razonable:

donde k constante que corresponde al coeficiente de viscosidad, y n índice de comportamiento del flujo. Para n 1, la ecuación se reduce a la (13.1) para un fluido newtoniano, y la k se convierte en η. Para un polímero fundido, los valores de n son menores que 1. 

Además del efecto de la velocidad de corte (gasto del fluido), la viscosidad de un polímero fundido también se ve afectada por la temperatura. Como ocurre con la mayoría de los fluidos, el valor disminuye con el aumento de la temperatura. Esto se ilustra en la figura 13.2 para varios polímeros comunes a la misma velocidad de corte de 103 s–1. Esta velocidad de corte se aproxima a aquélla encontrada en el moldeo por inyección y en operaciones de extrusión de alta velocidad. 

Así, se observa que la viscosidad de un polímero fundido disminuye con valores crecientes de velocidad de corte y de temperatura. Puede aplicarse la ecuación (13.2), excepto que k depende de la temperatura, como se muestra en la figura 13.2. 

Viscoelasticidad Otra propiedad que poseen los polímeros fundidos es la viscoelasticidad. Esta propiedad se estudió en el contexto de polímeros sólidos, en la sección 3.5. Sin embargo, también la tienen los polímeros líquidos. Un buen ejemplo es la expansión del troquel en la extrusión, en la que el plástico caliente se expande conforme sale de la abertura del troquel. El fenómeno, que se ilustra en la figura 13.3, se explica si se observa que el polímero estaba contenido en una sección transversal mucho más grande antes de ingresar al canal angosto del troquel. En efecto, el material extruido “recuerda” su forma y trata de regresar a ella después de dejar el orificio del troquel. En palabras más técnicas, los esfuerzos de compresión que actúan sobre el material conforme ingresa a la abertura pequeña del troquel no se relajan de inmediato. Cuando el material sale después del orificio y la restricción desaparece, los esfuerzos no liberados hacen que la sección transversal se expanda. 

La expansión del troquel se mide con más facilidad para una sección transversal circular, por medio de la razón de expansión, que se define como

donde rs razón de expansión; Dx diámetro de la sección transversal extruida, mm (in); y Dd diámetro del orificio del troquel, mm (in). La cantidad de expansión del troquel depende del tiempo que el polímero fundido pasa en el canal de éste. Al incrementarse el tiempo en el canal, por medio de uno de mayor longitud, se reduce la expansión del troquel.

EXTRUSIÓN 

La extrusión es uno de los procesos fundamentales para dar forma a los metales y cerámicos, así como a los polímeros. La extrusión es un proceso de compresión en el que se fuerza al material a fluir a través de un orificio practicado en un troquel a fin de obtener un producto largo y continuo, cuya sección transversal adquiere la forma determinada por la del orificio. Como proceso para dar forma a polímeros, se emplea mucho para termoplásticos y elastómeros (rara vez para termofijos) para producir en masa artículos tales como tubería, ductos, mangueras y formas estructurales (tales como molduras para ventanas y puertas), hojas y película, filamentos continuos, así como recubrimientos para alambres y cables eléctricos. Para estos tipos de productos, la extrusión se lleva a cabo como proceso continuo; el extruido (producto extruido) se corta después con las longitudes deseadas. En esta sección se estudia el proceso básico de extrusión, y en varias de las posteriores se examinan procesos que se basan en ésta.

Proceso y equipo 

En la extrusión de polímeros, se alimenta material en forma de pellets o polvo hacia dentro de un barril de extrusión, donde se calienta y funde y se le fuerza para que fluya a través de la abertura de un troquel por medio de un tornillo rotatorio, como se ilustra en la figura 13.4. Los dos componentes principales del extrusor son el barril y el tornillo. El troquel no es un componente del extrusor; es una herramienta especial que debe fabricarse para el perfil particular que se va a producir. 

Es común que el diámetro interno del barril del extrusor varíe entre 25 y 150 mm (1.0 a 6.0 in). El barril es largo en relación con su diámetro, con razones L/D que, por lo general, están entre 10 y 30. Para mayor claridad del dibujo, en la figura 13.4 está reducida la razón L/D. Las razones más altas se emplean para materiales termoplásticos, en tanto que los valores L/D más bajos son para los elastómeros.

En el extremo del barril opuesto al troquel se localiza una tolva que contiene el material que se alimenta. Los pellets se alimentan por gravedad al tornillo rotatorio, cuya rosca mueve al material a lo largo del barril. Se utilizan calentadores eléctricos para fundir al inicio los pellets sólidos; después, la mezcla y el trabajo mecánico del material generará calor adicional, lo que mantiene fundido al material. En ciertos casos, se suministra calor suficiente a través de la mezcla y acción cortante de modo que no se requiere calor externo. En realidad, en ciertos casos el barril debe enfriarse desde el exterior a fin de impedir el sobrecalentamiento del polímero. 

El material se hace avanzar a lo largo del barril hacia la abertura del troquel, por medio de la acción del tornillo extrusor, que gira a unas 60 rev/min. El tornillo tiene varias funciones y se divide en secciones que son: 1) sección de alimentación, en la que el material se mueve del puerto de la tolva y recibe precalentamiento; 2) sección de compresión, en la que el polímero se transforma para adquirir consistencia líquida, se extrae del fundido el aire atrapado entre los pellets y se comprime el material; y 3) sección de medición, en la que se homogeniza al fundido y se genera presión suficiente para bombearlo a través de la abertura del troquel. 

La operación del tornillo está determinada por su forma geométrica y velocidad de rotación. En la figura 13.5 se ilustra la forma común de un tornillo extrusor. El tornillo consiste en “paletas” (cuerdas) en forma de espiral, con canales entre ellas por los que avanza el polímero fundido. El canal tiene un ancho wc y profundidad dc . Conforme el tornillo gira, las cuerdas empujan al material hacia delante a través del canal, del extremo de la tolva del barril al troquel. Aunque en el diagrama no se distingue, el diámetro de la cuerda es menor que el del barril, D, por un claro muy pequeño, alrededor de 0.05 mm (0.002 in). La función del claro es limitar la fuga del fundido posterior por la parte trasera del canal. La cuerda tiene un ancho wf y está hecha de acero endurecido a fin de que resista el uso cuando gira y presiona contra el interior del barril. El tornillo tiene un paso cuyo valor, por lo general, se acerca al del diámetro D. El ángulo de las cuerdas, A, es el de la hélice del tornillo, y se determina con la relación

donde p ancho del tornillo.

El incremento de la presión aplicada al polímero fundido en las tres secciones del barril está determinado en mucho por la profundidad del canal, dc . En la figura 13.4, dc es relativamente grande en la sección de alimentación para permitir la entrada de cantidades importantes de polímero granular al barril. En la sección de compresión, dc se reduce en forma gradual, con lo que se aplica presión mayor sobre el polímero conforme se funde. En la sección de medición, dc se reduce y la presión alcanza un máximo según se restringe el flujo por la pantalla y la placa posterior. Las tres secciones del tornillo se ilustran en la figura 13.4 como si tuvieran longitud igual; esto es apropiado para un polímero que se funde gradualmente, como un polietileno de baja densidad. Para otros polímeros, las longitudes óptimas son diferentes. Para polímeros cristalinos tales como el naylon, la fusión ocurre en forma abrupta en su punto específico de fusión, y por ello es apropiado que la sección de compresión sea corta. Los polímeros amorfos, como el cloruro de polivinilo, se funden con mayor lentitud que el LDPE, y la zona de compresión para dichos materiales debe cubrir casi toda la longitud del tornillo. Aunque el diseño óptimo del tornillo es distinto para cada tipo de material, es práctica común usar tornillos de propósito general. Estos diseños representan un compromiso entre los materiales diferentes, y evitan la necesidad de hacer cambios frecuentes de tornillo, lo que resultaría en una pérdida costosa del tiempo del equipo.

El avance del polímero a lo largo del barril lo hace llegar en última instancia a la zona muerta. Antes de llegar al troquel, el fundido pasa a través del paquete de la pantalla, una serie de mallas de alambre sostenidas por una placa rígida (llamada placa rompedora) que contiene agujeros axiales pequeños. El paquete de la pantalla sirve para 1) filtrar los contaminantes y grumos duros del fundido, 2) generar presión en la sección de medición y 3) forzar al flujo del polímero fundido y borrar de su “memoria” el movimiento circular impuesto por el tornillo. Esta última función tiene que ver con la propiedad viscoelástica del polímero; si el flujo no se forzara, el polímero repetiría su historia de girar dentro de la cámara de extrusión, y tendería a rotar y distorsionar el extruido. 

Lo que se ha descrito aquí es la máquina de extrusión de un solo tornillo. También debe mencionarse los extrusores de tornillos gemelos, ya que ocupan un lugar importante en la industria. En estas máquinas, los tornillos son paralelos y se encuentran lado a lado dentro del barril. Los extrusores de tornillos gemelos parecen adaptarse en especial al PVC rígido, el cual es un polímero difícil de extruir, y a materiales que requieren una mezcla mayor.

Análisis de la extrusión 

En esta sección se desarrollan modelos matemáticos para describir, en forma simplificada, varios aspectos de la extrusión de polímeros.

Flujo fundido en el extrusor Conforme el tornillo gira dentro del barril, el polímero fundido se ve forzado a moverse hacia delante, en dirección del troquel; el sistema opera en forma muy parecida a un tornillo de Arquímedes. El mecanismo principal de transporte es el flujo por arrastre, que resulta de la fricción entre el líquido viscoso y las dos superficies opuestas que se mueven una respecto de la otra; 1) el barril estacionario y 2) el canal del tornillo giratorio. El arreglo se asemeja al movimiento de fluido que ocurre entre una placa estacionaria y una móvil, a las que separa un líquido viscoso, como se ilustra en la figura 3.17. Dado que la placa móvil tiene una velocidad v, se puede pensar que la velocidad promedio del fluido es v/2, lo que da por resultado un gasto volumétrico de

donde Qd gasto volumétrico por arrastre, m3 /s (in3 /s); v velocidad de la placa móvil, m/s (in/s); d distancia que separa las dos placas, m (in); y w el ancho de las placas perpendicular a la dirección de la velocidad, m (in). Estos parámetros se comparan con aquéllos en el canal definidos por el tornillo de extrusión rotatorio y la superficie del barril estacionario.

donde D diámetro de la cuerda del tornillo, m (in); N velocidad rotacional del tornillo, rev/s; dc profundidad del canal del tornillo, m (in); wc ancho del canal del tornillo, m (in); A ángulo de la cuerda; y wf ancho del filo de la cuerda, m (in). Si se supone que el ancho del filo de la cuerda es tan pequeño que es despreciable, entonces la última ecuación se reduce a

Al sustituir las ecuaciones (13.6), (13.7) y la (13.9) en la ecuación (13.5), y con el empleo de varias identidades trigonométricas, se obtiene

Si no hay fuerzas presentes que resistan el movimiento hacia delante del fluido, esta ecuación proveería una descripción razonable del gasto fundido dentro del extrusor. Sin embargo, al comprimir el polímero fundido a través del troquel corriente abajo, se crea una contrapresión en el barril que reduce el material que se mueve por flujo de arrastre en la ecuación (13-10). Esta reducción del flujo, que se llama flujo a contrapresión, depende de las dimensiones del tornillo, la viscosidad del polímero fundido y el gradiente de presión a lo largo del barril. Estas dependencias se resumen en la siguiente ecuación [12]:

donde Qb flujo a contrapresión, m3 /s (in3 /s); η viscosidad, N-s/m2 (lb-s-in2 ); dp/dl gradiente de presión, MPa/m (lb/in2/in); los demás términos ya se definieron antes. El gradiente de presión real en el barril es función de la forma del tornillo a lo largo de su longitud; en la figura 13.6 se da un perfil común de la presión. Si como aproximación se supone que el perfil es una línea recta, que en la figura se indica con una línea de rayas, entonces el gradiente de presión se vuelve constante p/L y la ecuación anterior se reduce a

donde p presión piezométrica en el barril, MPa (lb/in2 ); y L longitud del barril, m (in). Hay que recordar que este flujo a contrapresión en realidad no es un flujo real por sí mismo;

es una reducción en el flujo por arrastre. Así, la magnitud del flujo fundido en un extrusor se calcula como la diferencia entre el flujo por arrastre y el flujo a contrapresión:

donde Qx gasto resultante del polímero fundido en el extrusor. La ecuación (13.13) supone que hay una fuga de flujo mínima a través del claro entre las cuerdas y el barril. La fuga de flujo de líquido será pequeña en comparación con el flujo por presión de arrastre y retrocesos, excepto en extrusores mal utilizados. 

La ecuación (13.13) contiene muchos parámetros, que pueden dividirse en dos tipos: 1) de diseño y 2) de operación. Los parámetros de diseño son aquellos que definen la configuración geométrica del tornillo y del barril: diámetro D, profundidad del canal dc , y ángulo de la hélice A. Para una operación de extrusor dado, estos factores no pueden cambiar durante el proceso. Los parámetros de operación son aquéllos susceptibles de cambiar durante el proceso, para afectar el flujo de salida; incluyen la velocidad rotacional N, presión piezométrica p y viscosidad del fundido η. Por supuesto, la viscosidad del fundido es controlable sólo hasta el grado en que la temperatura y la velocidad de corte se pueden manipular para afectar dicha propiedad. Ahora, en el ejemplo que sigue, se verá la manera como los parámetros juegan sus papeles.

Ejemplo Gastos de extrusión

Un barril extrusor tiene un diámetro D 75 mm. El tornillo gira a N 1 rev/s. La profundidad del canal es dc 6.0 mm y el ángulo de la cuerda A 20º. La presión piezométrica en el extremo del barril p 7.0  106 Pa, la longitud del barril L 1.9 m, y la viscosidad del polímero fundido se supone de η 100 Pa. Determine el gasto volumétrico del plástico en el barril Qs . 

Solución: Con la ecuación (13.13) puede calcularse el flujo de arrastre y oponerse al flujo de contrapresión en el barril.

Características del extrusor y del troquel Si la contrapresión es igual a cero, de modo que el flujo fundido no tenga restricción en el extrusor, entonces el flujo sería igual al flujo por arrastre Qd dado por la ecuación (13.10). Dados los parámetros de diseño y operación (D, A, N, etc.), ésta es la capacidad de flujo máximo posible del extrusor. Se denotará como Qmáx:

Por otro lado, si la contrapresión fuera tan grande que ocasionara un flujo igual a cero, entonces el flujo a contrapresión sería igual al flujo por arrastre; es decir,

Con el uso de las expresiones para Qd y Qb en la ecuación (13.13), se puede resolver para p a fin de determinar cuál tendría que ser la presión piezométrica máxima pmáx para hacer que no hubiera flujo en el extrusor:

Los dos valores Qmáx y pmáx son puntos a lo largo de los ejes del diagrama conocido como característica del extrusor (o bien característica del tornillo), como se ve en la figura 13.7. Define la relación entre la presión piezométrica y el gasto en una máquina de extrusión con parámetros de operación dados. 

Con un troquel en la máquina y el proceso de extrusión en marcha, los valores reales de Qx y p estarán en algún punto entre los valores extremos, la ubicación determinada por las características del troquel. El gasto a través de éste depende del tamaño y la forma de la abertura y de la presión que se aplique para forzar al fundido a pasar por aquélla. Esto se expresa así:

donde Qx es el gasto, en m3 /s (in3 /s); p presión piezométrica, Pa (lb/in2 ); y Ks factor de forma para el troquel, m5 /Ns (in5 /lb-s). Para una abertura circular en el troquel, con una longitud de canal dada, el factor de forma se calcula [12] como:

donde Dd diámetro de la abertura del troquel, m (in); η viscosidad del fundido, Ns/m2 (lb-s/in2 ); y Ld longitud de la abertura del troquel, m (in). Para formas distintas de la circular, el factor de forma del troquel es menor que para uno redondo con la misma superficie de su sección transversal, lo que significa que se requiere una presión mayor para obtener el mismo gasto. 

La relación entre Qx y p en la ecuación (13.16) se denomina característica del troquel. En la figura 13.7 aparece como una línea recta, que se intersecta con la característica del extrusor anterior. El punto de intersección identifica los valores de Qx y p que se conocen como punto de operación para el proceso de extrusión.

Ejemplo Características del extrusor y del troquel

Considere el extrusor del ejemplo 13.1, en el que D 75 mm, L 1.9 m, N 1 rev/s, dc 6 mm y A 20º. El plástico fundido tiene una viscosidad cortante η 100 Pa. Determine: a) Qmáx y pmáx, b) el factor de forma Ks para una abertura circular de troquel en el que Dd 6.5 mm y Ld 20 mm y c) los valores de Qx y p en el punto de operación.

Configuraciones del troquel y productos extruidos 

La forma del orificio del troquel determina la forma de la sección transversal del extruido. Se puede enumerar los perfiles de troquel comunes y las formas extruidas correspondientes, como sigue: 1) perfiles sólidos, 2) perfiles huecos, como tubos, 3) recubrimientos de alambre y cable, 4) hoja y película y 5) filamentos. Las tres primeras categorías se estudian en la presente sección. Los métodos para producir lámina y película se examinan en la sección 13.3; y la producción de filamento, en la 13.4. En ocasiones, estas últimas formas involucran procesos de formado adicionales a la extrusión.

Perfiles sólidos Éstos incluyen formas regulares: círculos, cuadrados y secciones transversales tales como formas estructurales, molduras para puertas y ventanas, y accesorios para automóviles y viviendas. La sección trasversal de la vista lateral de un troquel para estas formas sólidas se ilustra en la figura 13.8. Justo más allá del extremo del tornillo y antes del troquel, el polímero fundido pasa a través del paquete de la pantalla y la placa rompedora para fortalecer las líneas de flujo. Después fluye hacia la entrada (por lo general) convergente del troquel; la forma está diseñada para mantener un flujo laminar y evitar puntos muertos en las esquinas que de otro modo estarían presentes cerca del orificio. Después, el fundido avanza a través de la abertura misma del troquel. 

Cuando el material sale del troquel, todavía está suave. Los polímeros con viscosidades de fundido altas son los mejores candidatos para la extrusión, ya que adoptan su mejor forma durante el enfriamiento. Éste se lleva a cabo por medio de soplar aire, rociar agua o pasar el extruido a través de un conducto de agua. Para compensar la expansión del troquel, la abertura de éste se hace suficientemente larga para eliminar algo de la memoria del polímero fundido. Además, es frecuente que se haga que el extruido se extraiga (estire) para evitar la expansión del troquel. 

Para distintas formas de la redonda, la abertura del troquel se diseña con una sección transversal que es ligeramente distinta del perfil que se desea, por lo que el efecto de la expansión del troquel es proveer una corrección de la forma. En la figura 13.9 se ilustra dicha corrección para una sección transversal cuadrada. Debido a que polímeros diferentes presentan grados distintos de expansión del troquel, la forma de éste depende del material por extruir. Se requieren habilidad y criterio considerables por parte del diseñador de troqueles para obtener secciones transversales complejas.

Perfiles huecos La extrusión de perfiles huecos, tales como tubos, tuberías, mangueras y otras secciones transversales que incluyen agujeros, requiere un mandril para obtener la forma hueca. En la figura 13.10 se presenta una configuración común del troquel. El mandril es mantenido en su lugar con el empleo de una araña, que se aprecia en la sección A-A de la figura. El polímero fundido fluye alrededor de las patas dando soporte al mandril para reunirse en una pared de tubo monolítica. Es frecuente que el mandril incluya un canal a través del cual se inyecta aire para mantener la forma hueca del extruido mientras se endurece. Las tuberías y los tubos se enfrían por medio de canales de agua abiertas o haciendo pasar el extruido suave a través de un tanque lleno de agua con el ajuste de tuberías que limitan el diámetro exterior del tubo mientras se mantiene la presión del aire en el interior. Recubrimiento de alambre y cable

El recubrimiento de alambre y cable para aislarlos es uno de los procesos de extrusión de polímeros más importantes. Como se aprecia en la figura 13.11, para recubrir alambre se aplica el polímero a éste conforme se tira de él a alta velocidad a través de un troquel. Se crea un vacío ligero entre el alambre y el polímero para facilitar la adhesión del recubrimiento. El alambre tenso provee rigidez durante el enfriamiento, a lo que, por lo general, se contribuye haciendo pasar el alambre recubierto a través de un canal de agua. El producto se enrolla en carretes grandes a velocidades de hasta 50 m/s (10 000 ft/min).

Defectos de la extrusión 

Los productos extruidos presentan cierto número de defectos. Uno de los peores es la fractura del fundido, en la que las tensiones que actúan sobre el fundido inmediatamente antes y durante su paso a través del troquel son tan grandes que ocasionan una falla, que se manifiesta en forma de la superficie muy irregular del extruido. Como se sugiere en la figura 13.12, la fractura del fundido puede ser ocasionada por una reducción brusca de la entrada del troquel, lo que provoca un flujo turbulento que rompe el fundido. Esto contrasta con las líneas de corriente del flujo laminar en el troquel que converge en forma gradual de la figura 13.8.

Un defecto más común de la extrusión es la piel de tiburón, en la que la superficie del producto se arruga al salir del troquel. Conforme el fundido fluye a través de la abertura del troquel, la fricción en la interfaz ocasiona un perfil de velocidad a través de la sección transversal, como se ve en la figura 13.13. Los esfuerzos de tensión aparecen en la superficie al estirarse este material para estar a la par con el núcleo central que se mueve más rápido. Estos esfuerzos ocasionan rupturas menores que arrugan la superficie. Si el gradiente de velocidad se vuelve extremo, aparecen marcas prominentes en la superficie, lo que le da el aspecto de un tronco de bambú; de ahí el nombre de bambú para este defecto más severo.

PRODUCCIÓN DE HOJAS Y PELÍCULA

Las hojas (láminas) y películas de termoplástico se producen por medio de varios procesos; los más importantes son dos métodos que se basan en la extrusión. El término hoja se refiere a material cuyo espesor es de 0.5 mm (0.020 in) de alrededor de 12.5 mm (0.5 in), y se usa para productos como recubrimientos para ventanas y materiales para termoformados (sección 13.9). El término película se refiere a espesores por debajo de 0.5 mm (0.020 in). Las películas delgadas se usan para empacar (material para envolver productos) bolsas para abarrotes y basura); las aplicaciones de película más gruesa incluyen cubiertas y forros (cubiertas para albercas y para canales de irrigación). 

Todos los procesos que se estudian en esta sección son operaciones continuas de producción elevada. Más de la mitad de las películas que se producen hoy día son de polietileno, la mayor parte PE de baja densidad. Los demás materiales principales son el polipropileno, cloruro de polivinilo y celulosa regenerada (celofán). Todos éstos son polímeros termoplásticos. 

Extrusión de hoja y película con troquel de rendija Se producen hojas y películas de espesores diversos por medio de extrusión convencional, con el uso de una rendija angosta como abertura del troquel. Ésta puede medir hasta 3 m (10 ft) de ancho y ser tan angosta como 0.4 mm (0.015 in). En la figura 13.14 se ilustra una configuración posible del troquel. Éste incluye un colector que distribuye el polímero en forma lateral antes de que fluya a través de la rendija (el orificio del troquel). Una de las dificultades de este método de extrusión es la uniformidad del espesor a todo lo ancho del material. Esto se debe al cambio drástico de forma que experimenta el polímero fundido durante su flujo a través del troquel, y a las variaciones de la temperatura y presión en éste. Por lo general, las aristas de la película deben recortarse debido al engrosamiento que ahí ocurre. Para ayudar a compensar estas variaciones, los troqueles incluyen bordes ajustables (que no se muestran en el diagrama) que permiten que el ancho de la rendija se modifique. 

Para lograr tasas altas de producción, debe integrarse al proceso de extrusión un método eficiente de enfriamiento y captura de la película. Por lo general, esto se hace dirigiendo de inmediato el material extruido hacia una tina de agua o hacia rodillos gélidos, como se muestra en la figura 13.15. El método de los rodillos helados parece tener más importancia comercial. En contacto con los rodillos fríos, el extruido se enfría y solidifica con rapidez; en efecto, el extrusor sirve como dispositivo alimentador para los rodillos fríos que en realidad dan forma a la película. El proceso es notable por sus velocidades muy altas de producción: 5 m/s (1 000 ft/min). Además, es posible alcanzar tolerancias estrechas para el espesor de la película. Debido al método de enfriamiento que se usa en este proceso, se le conoce como extrusión con rodillo frío.

Proceso de extrusión de película soplada Éste es el otro proceso muy usado para hacer película delgada de polietileno para empaque. Es un proceso complejo que combina la extrusión y el soplado para producir un tubo de película delgada; se explica mejor con referencia al diagrama de la figura 13.16. El proceso comienza con la extrusión de un tubo que se jala de inmediato hacia arriba mientras aún está fundido, y se expande en forma simultánea por medio de aire que entra a su interior a través del mandril del troquel. Una “línea de congelación” marca la posición en que ocurre la solidificación del polímero de la burbuja que asciende. La presión del aire en la burbuja debe permanecer constante para mantener uniforme el espesor de la película y el diámetro del tubo. El aire es contenido en el tubo por medio de rodillos de presión que lo exprimen una vez que se ha enfriado. Los rodillos de guía y los de aplanado también se utilizan para fijar el tubo soplado y dirigirlo hacia los rodillos de presión. Luego se colecta el tubo plano en un carrete.

El efecto del inflado por aire es estirar la película en ambas direcciones conforme se enfría desde su estado fundido. Esto da como resultado propiedades isotrópicas de resistencia, lo que es una ventaja sobre otros procesos en los que el material primero se estira en una dirección. Otras ventajas incluyen la facilidad con la que pueden cambiarse la tasa de extrusión y la presión del aire para controlar el ancho y espesor del material. Si se compara este proceso con la extrusión por troquel de rendija, el método de la película soplada produce una película más resistente (de modo que puede usarse una película más delgada para empacar un producto), pero el control del espesor y las tasas de producción son menores. La película soplada final puede almacenarse en forma tubular (por ejemplo para bolsas de basura) o cortarse después por las orillas a fin de obtener dos películas delgadas paralelas. 

Calandrado Éste es un proceso para producir hojas y películas a partir de caucho (sección 14.14) o termoplásticos tipo caucho tales como el PVC plastificado. En el proceso, el material inicial pasa por una serie de rodillos que lo trabajan y que reducen su espesor a la medida deseada. En la figura 13.17 se presenta un arreglo común. El equipo es caro, pero la tasa de producción es alta; es posible alcanzar velocidades que se acercan a 2.5 m/s (500 ft/min). Se requieren controles cercanos de las temperaturas, presiones y velocidad rotacional de los rodillos. El proceso es notable por el buen acabado de las superficies y por la exactitud alta de las medidas de la película. Los productos de plástico elaborados con el proceso de calandrado incluyen cubiertas de PVC para pisos, cortinas para baño, manteles de vinilo, cubiertas para albercas, lanchas y juguetes inflables.

PRODUCCIÓN DE FIBRAS Y FILAMENTOS (HILADO O HILANDERÍA)

La aplicación más importante de las fibras y filamentos se da en los textiles. Su uso como materiales de refuerzo de los plásticos (compuestos) es una aplicación que va en aumento, pero aún es pequeña en comparación con los textiles. Una fibra se define como una banda larga y delgada de material cuya longitud es al menos 100 veces mayor que la dimensión de su sección transversal. Un filamento es una fibra de longitud continua. 

Las fibras son naturales o sintéticas. Las sintéticas constituyen alrededor de 75% del mercado de fibras actual, de las que el poliéster es la más importante, seguido por naylon, acrílico y rayón. Las fibras naturales constituyen cerca de 25% del total producido, con el algodón en el lugar más importante, por mucho (la producción de lana es significativamente menor que la de algodón). 

El término hilado agrupa los métodos que se emplean para obtener y tejer las fibras naturales en hilos o hebras. En la producción de fibras sintéticas, el término se refiere al proceso de extruir un polímero fundido o solución a través de una hilera (troquel con muchos agujeros pequeños) para hacer los filamentos, los que luego se extraen y enrollan en una bobina. Hay tres principales variantes en la torsión de fibras sintéticas, dependiendo del polímero que se procese: 1) hilado fundido, 2) hilado seco y 3) hilado húmedo.

El hilado fundido se emplea cuando el polímero de inicio se procesa mejor si se calienta hasta fundirlo y se bombea a través de la hilera, en forma muy parecida a la extrusión convencional. Una hilera común mide 6 mm (0.25 in) de espesor y contiene aproximadamente 50 agujeros con diámetro de 0.25 mm (0.010 in); los agujeros están abocardados, de modo que la abertura resultante tiene una razón L/D de sólo 5/1 o menos. Los filamentos que salen del troquel se jalan y en forma simultánea se enfrían con aire antes de ponerlos juntos y enrollarlos en la bobina, como se ilustra en la figura 13.18. Mientras el polímero aún se encuentra fundido, tiene lugar una extensión y adelgazamiento significativos del filamento, de modo que el diámetro final del que se enrolla en la bobina puede ser de sólo 1/10 del tamaño que se extruye. 

El hilado fundido se utiliza para el poliéster y naylon; toda vez que éstas son las fibras sintéticas más importantes; el hilado fundido es el más importante de los tres procesos para elaborar fibras sintéticas. En el hilado seco, el polímero de inicio está en solución, y el solvente se separa por evaporación. El extruido se jala a través de una cámara caliente que elimina el solvente; por otro lado, la secuencia es similar a la anterior. Las fibras de acetato de celulosa y acrílico se producen con este proceso. En el hilado húmedo, el polímero también está en solución, sólo que el solvente no es volátil. Para separar al polímero, debe pasarse al extruido a través de un producto químico líquido que coagula o precipita al polímero en bandas coherentes que luego se colocan en bobinas. Este método se emplea para producir rayón (fibras de celulosa regeneradas). 

Los filamentos producidos con cualquiera de los tres procesos por lo general están sujetos a un estirado adicional en frío para alinear la estructura cristalina a lo largo de la dirección del eje del filamento. Son extensiones comunes de 2 a 8 [13]. Esto tiene el efecto de incrementar en forma significativa la resistencia a la tensión de las fibras. La extracción se lleva a cabo tirando del hilo entre dos carretes, de los que el que enrolla se mueve a velocidad mayor que el que se desenrolla.

PROCESOS DE RECUBRIMIENTO 

El recubrimiento con plástico (o caucho) involucra la aplicación de una capa del polímero dado sobre un material que es el sustrato. Se observan tres categorías [6]: 1) recubrimiento de alambre y cable; 2) recubrimiento plano, que involucra recubrir una película plana; y 3) recubrimiento de contorno, que cubre un objeto tridimensional. Ya se estudió el recubrimiento de alambre y cable (sección 13.2.3); se trata en lo básico de un proceso de extrusión. Las otras dos categorías se analizan en los párrafos que siguen. Además, se encuentra la tecnología para aplicar pinturas, barnices, lacas y otros recubrimientos similares (sección 29.5). 

El recubrimiento plano se emplea para cubrir telas, papel, tableros y hojas de metal; estos artículos son productos principales para ciertos plásticos. Los polímeros importantes incluyen polietileno y polipropileno, con aplicaciones menores para el naylon, PVC y poliéster. En la mayoría de casos, el recubrimiento mide sólo de 0.01 a 0.05 mm (0.0005 a 0.002 in) de espesor. En la figura 13.19 se ilustran las dos técnicas principales de recubrimiento plano. En el método del rodillo, se exprime el material de polímero para recubrir, contra el sustrato, por medio de rodillos opuestos. Con el método del bisturí, un cuchillo afilado controla la cantidad de polímero fundido con que se recubre al sustrato. En ambos casos, el material de recubrimiento se suministra ya sea con un proceso de extrusión con troquel de rendija o por calandrado. 

El recubrimiento de contorno de objetos tridimensionales se lleva a cabo por inmersión o rociado. La inmersión consiste en sumergir el objeto en un baño apropiado de polímero o solución fundidos, seguido de enfriamiento o secado. El rociado (como la pintura en rocío) es un método alternativo para aplicar recubrimiento de polímero a un objeto sólido.

MOLDEO POR INYECCIÓN 

El moldeo por inyección es un proceso con el que se calienta un polímero hasta que alcanza un estado muy plástico y se le fuerza a que fluya a alta presión hacia la cavidad de un molde, donde se solidifica. Entonces, la pieza moldeada, llamada moldeo, se retira de la cavidad. El proceso produce componentes discretos que casi siempre son de forma neta. Es común que el ciclo de producción dure de 10 a 30 segundos, aunque no son raros ciclos de un minuto o más. Asimismo, el molde puede contener más de una cavidad, de modo que en cada ciclo se producen molduras múltiples. En el video clip se ilustran muchos aspectos del moldeo por inyección. 

Es posible obtener formas complejas e intrincadas con el moldeo por inyección. El reto en esos casos es fabricar un molde cuya cavidad tenga la misma forma que la pieza, y que también permita el retiro de ésta. El tamaño de la pieza varía de alrededor de 50 g (2 oz) hasta 25 kg (más de 50 libras); el límite superior está representado por componentes tales como puertas de refrigerador y defensas de autos. 

El molde determina la forma y el tamaño de la pieza, y es la herramienta especial en el moldeo por inyección. Para piezas complejas y grandes, el molde llega a costar cientos de miles de dólares. Para piezas pequeñas, el molde se puede construir para que contenga cavidades múltiples, lo que también hace que sea caro. Así, el moldeo por inyección es económico sólo para cantidades grandes de producción. El moldeo por inyección es el proceso que más se usa para los termoplásticos. Algunos termofijos y elastómeros se moldean por inyección, con modificaciones en el equipo y parámetros de operación, a fin de permitir el entrecruzamiento de estos materiales. En la sección 13.6.6 se estudian éstas y otras variaciones del moldeo por inyección.

Proceso y equipo 

El equipo para moldeo por inyección evolucionó a partir de la fundición con troquel (Nota histórica 13.1). En la figura 13.20 se presenta una máquina grande de moldeo por inyección. Como se ilustra en el esquema de la figura 13.21, una máquina de moldeo por inyección consta de dos componentes principales: 1) la unidad de inyección de plástico y 2) la unidad de sujeción del molde. La unidad de inyección es muy parecida a un extrusor. Consiste en un barril al que se alimenta desde un extremo por una tolva que contiene un suministro de pellets de plástico. Dentro del barril hay un tornillo cuya operación sobrepasa la del tornillo extrusor en el siguiente aspecto: además de girar para mezclar y calentar el polímero, también actúa como martinete que se mueve con rapidez hacia delante para inyectar plástico fundido al molde. Una válvula sin retorno montada cerca de la punta del tornillo impide que el fundido fluya hacia atrás a lo largo de las cuerdas de aquél. En una etapa posterior del ciclo de moldeo, el martinete vuelve a su posición original. Debido a su acción dual, se denomina tornillo reciprocante, nombre que también identifica el tipo de máquina. Las máquinas antiguas de moldeo por inyección usaban un martinete simple (sin cuerdas de tornillo), pero la superioridad del diseño del tornillo recíproco ha llevado a que se adopte con amplitud en las plantas de moldeo de hoy día. En resumen, las funciones de la unidad de inyección son fundir y homogeneizar el polímero, y luego se inyecta en la cavidad del molde. 

La unidad de sujeción se relaciona con la operación del molde. Sus funciones son 1) mantener las dos mitades del molde alineadas en forma correcta una con otra, 2) mantener cerrado al molde durante la inyección, por medio de la aplicación de una fuerza que lo sujeta lo suficiente para resistir la fuerza de inyección y 3) abrir y cerrar el molde en los momentos apropiados del ciclo de inyección. La unidad de abrazadera consiste en dos placas, una fija y otra móvil, y un mecanismo para mover ésta. El mecanismo básicamente es una prensa de potencia que funciona por medio de un pistón hidráulico o dispositivos de palanca mecánica de varios tipos. Las máquinas grandes disponen de fuerzas de abrazadera de varios miles de toneladas.

El ciclo para el moldeo por inyección de un polímero termoplástico procede en la siguiente secuencia, como se ilustra en la figura 13.22. La acción comienza con el molde abierto y la máquina lista para comenzar un nuevo moldeo: 1) el molde se cierra y se sujeta. 2) Se inyecta un disparo de fundido a alta presión hacia la cavidad del molde, el cual se ha puesto a la temperatura y viscosidad correctas por medio de calor y trabajo mecánico del tornillo. El plástico se enfría y comienza a solidificarse cuando se encuentra con la superficie fría del molde. Se mantiene la presión del martinete a fin de comprimir más fundido en la cavidad para compensar la contracción durante el enfriamiento. 3) El tornillo gira y se retrae con la válvula de retención de vapor abierta para permitir que polímero nuevo fluya hacia la parte delantera del barril. Entre tanto, el polímero en el molde se ha solidificado por completo. 4) El molde se abre, y la pieza se expulsa y retira.

El molde 

Es la herramienta especial en el moldeo por inyección; está diseñado sobre medida y se fabrica para la pieza específica que se ha de producir. Cuando termina la corrida de producción de esa pieza, el molde se reemplaza por otro para la pieza siguiente. En esta sección se estudian varios tipos de molde para inyección. 

Molde de dos placas En la figura 13.23 se ilustra el molde de dos placas convencional, que consiste en dos mitades unidas a las dos placas de la unidad de abrazaderas de la máquina moldeadora. Cuando la unidad de abrazaderas se abre, también lo hacen las dos mitades del molde, como se ilustra en b). El rasgo más notorio del molde es la cavidad, que por lo general se forma con la extracción de metal de las superficies que se corresponden de las dos mitades. Los moldes pueden tener una cavidad o varias, a fin de producir más de una pieza en un solo disparo. La figura muestra un molde con dos cavidades. Las superficies de separación (o línea de separación, en la vista transversal del molde) son aquéllas donde el molde se abre para retirar la(s) pieza(s). 

Además de la cavidad, hay otros rasgos del molde que desempeñan funciones indispensables durante el ciclo del moldeo. Un molde debe tener canal de distribución por el que fluya el polímero fundido, de la boquilla del barril de inyección a la cavidad del molde. El canal distribuidor consiste en 1) un bebedero, que va de la boquilla al molde; 2) vaciadores, que van de la toma a la cavidad (o cavidades); y 3) puertas, que restringen el flujo del plástico hacia la cavidad. Hay una o más puertas para cada cavidad del molde. 

Es necesario un sistema de eyección para expulsar la pieza moldeada de la cavidad en el extremo del ciclo de moldeo. Por lo general, son los pasadores eyectores construidos en la mitad móvil del molde los que llevan a cabo esta función. La cavidad está dividida entre las dos mitades del molde de tal forma que la contracción natural del moldeo ocasiona que la pieza se adhiera a la mitad móvil. Cuando el molde se abre, los pasadores eyectores empujan la pieza fuera de la cavidad del molde. 

Se requiere un sistema de enfriamiento para el molde. Éste consiste en una bomba externa conectada a pasajes en el molde, a través de los cuales circula agua para eliminar calor del plástico caliente. Debe evacuarse aire de la cavidad del molde conforme el polímero avanza. A través de los claros pequeños de los pasadores eyectores del molde pasa gran cantidad de aire. Además, es frecuente que se maquinen conductos de aire estrechos en la superficie de separación; de alrededor de 0.03 mm (0.001 in) de profundidad y 12 a 25 mm (0.5 a 1.0 in) de ancho, estos canales permiten que el aire escape hacia el exterior, pero son demasiado pequeños para que el polímero fundido viscoso fluya a través de ellos. 

En resumen, un molde consiste en 1) una o más cavidades que determinan la forma de la pieza, 2) canales de distribución a través de los cuales el polímero fundido fluye a las cavidades, 3) un sistema de eyección para la remoción de la pieza, 4) un sistema de enfriamiento y 5) conductos para permitir la evacuación del aire de las cavidades. 

Otros tipos de molde El de dos placas es el molde más común en el moldeo por inyección. Uno alternativo es el molde de tres placas, que se ilustra en la figura 13.24, para la misma configuración geométrica de la pieza que antes. Este diseño de molde tiene ventajas. En primer lugar, el flujo de plástico fundido ocurre a través de una puerta ubicada en la base de la pieza con forma de taza, en vez de en un lado. Esto permite una distribución más pareja de fundido en los lados de la taza. En el diseño de puerta lateral del molde de dos placas de la figura 13.23, el plástico debe fluir alrededor del núcleo y unirse en el lado opuesto, posiblemente con la creación de una debilidad en la línea de soldadura. En segundo lugar, el molde de tres placas permite una operación más automática de la máquina moldeadora.

Cuando el molde se abre, se divide en tres placas con dos aberturas entre ellas. Esto fuerza la desconexión de los vaciaderos y las piezas, que caen por gravedad (con la asistencia posible de aire soplado o un brazo robotizado) a diferentes contenedores por debajo del molde. 

El bebedero y el vaciador de un molde convencional de dos o tres placas representan un desperdicio de material. En muchos casos se desechan y vuelven a usar; sin embargo, en otros, el producto debe hacerse de plástico “virgen” (aquel que no ha sido moldeado antes). El molde de vaciadero caliente elimina la solidificación del bebedero y del vaciadero por medio de la colocación de calentadores alrededor de los canales correspondientes del vaciadero. Mientras que el plástico en la cavidad del molde se solidifica, el material en el bebedero y canales del vaciadero permanece fundido, listo para inyectarse en la cavidad en el siguiente ciclo.

Máquinas de moldeo por inyección 

Las máquinas de moldeo por inyección difieren tanto en la unidad de inyección como en la de sujeción. En esta sección se estudia los tipos importantes de máquinas de hoy día. El nombre de la máquina de moldeo por inyección por lo general se basa en el tipo de unidad inyectora que se emplea. 

Unidades de inyección En la actualidad son dos tipos de unidades de inyección los que más se utilizan. La máquina de tornillo reciprocante (sección 13.6.1, figuras 13.21 y 13.22) es la más común. Este diseño emplea el mismo barril para la fundición e inyección del plástico. La unidad alternativa incluye el uso de barriles separados para plastificar e inyectar el polímero, como se aprecia en la figura 13.25a). Este tipo se denomina máquina preplastificadora de tornillo o máquina de dos etapas. Desde la tolva se alimentan pellets de plástico hacia la primera etapa, que usa un tornillo para dirigir el polímero hacia delante y fundirlo. Este barril alimenta a otro que usa un pistón para inyectar el material fundido en el molde. Las máquinas más antiguas usaban un barril impulsado por pistón para fundir e inyectar el plástico. Estas máquinas se conocen como máquinas moldeadoras de inyección de tipo pistón; véase la figura 13.25b). 

Unidades de sujeción Los diseños de sujeción son de tres tipos [11]: de palanca, hidráulica e hidromecánica. La sujeción de palanca incluye varios diseños, uno de los cuales se ilustra en la figura 13.26a). Un actuador mueve la cruceta hacia delante, el que extiende los eslabones de palanca para empujar las placas móviles en dirección de la posición cerrada. Al comenzar el movimiento, la ventaja mecánica es poca y la velocidad alta; pero cerca del extremo de la carrera, sucede lo contrario. Así, las abrazaderas de palanca proporcionan tanto gran velocidad como mucha fuerza en diferentes puntos del ciclo cuando se necesitan. Las proporcionan cilindros hidráulicos o tornillos impulsados por motores eléctricos. Las unidades de abrazaderas de palanca parecen más apropiadas a máquinas de tonelaje relativamente bajo. Las abrazaderas hidráulicas, que se ilustran en la figura 13.26b), se emplean en máquinas moldeadoras de inyección de tonelaje elevado, por lo común en el rango de 1 300 a 8 900 kN (150 a 1 000 ton). Estas unidades también son más flexibles que las abrazaderas de palanca, en términos de fijar el tonelaje en posiciones dadas durante la carrera. Las abrazaderas hidrodinámicas están diseñadas para tonelajes grandes, por lo general por arriba de 8 900 kN (1 000 ton); operan con 1) el uso de cilindros hidráulicos para mover con rapidez el molde hacia la posición de cerrado, 2) el cierre de la posición por medios mecánicos y 3) el empleo de cilindros hidráulicos de presión alta para, finalmente, cerrar el molde y almacenar el tonelaje.

Contracción 

Los polímeros tienen coeficientes de expansión térmica elevados, y durante el enfriamiento del plástico en el molde ocurre una contracción significativa. Algunos termoplásticos sufren una contracción volumétrica de alrededor de 10% después de la inyección en el molde. La contracción de plásticos cristalinos tiende a ser mayor que para los polímeros amorfos. La contracción se expresa por lo general como la reducción en el tamaño lineal que ocurre durante el enfriamiento a temperatura ambiente a partir de la temperatura del molde para el polímero dado. Por ello, las unidades apropiadas son mm/mm (in/in) de la dimensión en estudio. En la tabla 13.1 se dan valores comunes para polímeros seleccionados. 

Los rellenos en el plástico tienden a reducir la contracción. En la práctica comercial del moldeo, antes de hacer el molde debe obtenerse del productor los valores de la contracción para el compuesto específico por moldear. Con el fin de compensar la contracción, las dimensiones de la cavidad del molde deben hacerse más grandes que las de la pieza especificada. Puede usarse la fórmula siguiente [14]:

Dc = Dp + Dp S + Dp S2 (13.19)

donde Dc dimensiones de la cavidad, mm (in); Dp dimensión de la pieza moldeada, mm (in); y S valores de la contracción obtenidos de la tabla 13.1. El tercer término del lado derecho de la ecuación hace la corrección en la contracción.

Ejemplo Contracción en el moldeo por inyección

La longitud nominal de una pieza hecha de polietileno ha de ser de 80 mm. Determine la dimensión correspondiente de la cavidad del molde que compensará la contracción. 

Solución: De la tabla 13.1, la contracción para el polietileno es S 0.025. Con el uso de la ecuación (13.19), el diámetro de la cavidad del molde debe ser:

Dc = 80.0 + 80.0(0.025) + 80.0(0.025)2 = 80.0 + 2.0 + 0.05 = 82.05 mm

Queda claro que deben determinarse las dimensiones del molde para el polímero en particular que habrá de moldearse. El mismo molde producirá tamaños de pieza diferentes para distintos tipos de polímero.

Los valores de la tabla 13.1 representan una simplificación grande del tema de la contracción. En realidad, ésta se ve afectada por cierto número de factores, cualquiera de los cuales altera la cantidad de contracción que experimenta un polímero dado. Los factores más importantes son la presión de la inyección, tiempo de compactación, temperatura del moldeo y espesor de la pieza. Conforme se incrementa la presión de la inyección y se fuerza a que entre más material en la cavidad del molde, la contracción se reduce. El incremento del tiempo de compactación tiene un efecto similar, si se supone que el polímero en la puerta no se solidifica ni sella la cavidad; el mantener la presión fuerza a que más material entre a la cavidad mientras ocurre la contracción. Por tanto, la contracción neta disminuye. 

La temperatura de moldeo se refiere a la que tiene el polímero en el cilindro, inmediatamente antes de la inyección. Se esperaría que una temperatura más alta del polímero incrementaría la contracción, con el razonamiento de que la diferencia entre las temperaturas de moldeo y ambiental es mayor. Sin embargo, la contracción en realidad es menor con temperaturas de moldeo más elevadas. La explicación es que las temperaturas más altas disminuyen de manera significativa la viscosidad del polímero fundido, lo que permite que se compacte más material dentro del molde; el efecto es el mismo para presiones de inyección más grandes. Así, el efecto sobre la viscosidad más que compensa la mayor diferencia de temperaturas. 

Por último, las piezas más gruesas presentan más contracción. Un molde se solidifica a partir del exterior; el polímero en contacto con la superficie del molde forma una capa que crece hacia el centro de la pieza. En cierto punto de la solidificación, la puerta se solidifica, lo que aísla al material de la cavidad del sistema del vaciadero y de la presión de compactación. Cuando esto ocurre, el polímero fundido dentro de la cáscara representa la mayor parte de la contracción restante que ocurre en la pieza. Una sección más gruesa de ésta experimenta una contracción mayor, debido a que contiene una proporción más grande de material fundido.

Defectos en el moldeo por inyección 

El moldeo por inyección es un proceso complicado, y son muchas las cosas que pueden salir mal. A continuación se mencionan defectos comunes de las piezas moldeadas por inyección: 

• Disparos cortos: Igual que en el fundido, un disparo corto es un moldeo que se solidifica antes de que la cavidad se llene por completo. El defecto se corrige si se incrementa la temperatura y/o la presión. El defecto también surge por el uso de una máquina con capacidad de disparo insuficiente, caso en el que es necesario un aparato más grande. 
• Rebabas: Las salpicaduras ocurren cuando el polímero fundido se escurre por la superficie de separación, entre las placas del molde; también sucede alrededor de los pasadores de inyección. Por lo general, el defecto lo ocasionan 1) conductos y claros demasiado grandes en el molde, 2) presión de inyección demasiado alta en comparación con la fuerza de sujeción, 3) temperatura de fusión demasiado elevada o 4) tamaño excesivo del disparo. 
• Marcas de hundimiento y vacíos: Éstos son defectos que por lo general se relacionan con secciones moldeadas gruesas. Una marca de hundimiento ocurre cuando la superficie exterior del molde se solidifica, pero la contracción del material del interior hace que la capa se reduzca por debajo del perfil que se planeaba. Un vacío es ocasionado por el mismo fenómeno básico; sin embargo, el material de la superficie conserva su forma y la contracción se manifiesta como un vacío interno debido a fuerzas de tensión grandes sobre el polímero que aún está fundido. Estos defectos se eliminan con el incremento de la presión de compactación posterior a la inyección. Una mejor solución consiste en diseñar la pieza para tener espesor uniforme de la sección, y utilizar secciones más delgadas. 
• Líneas de soldadura: Las líneas de soldadura ocurren cuando el polímero fundido fluye alrededor de un núcleo o de otro detalle convexo en la cavidad del molde, y se encuentra desde direcciones opuestas; la frontera así formada se denomina línea de soldadura, y tiene propiedades mecánicas inferiores a las del resto de la pieza. Las formas de eliminar este defecto son las temperaturas de fundición más altas, presiones de inyección mayores, ubicaciones alternativas de la puerta de la pieza y mejores conductos.

Otros procesos del moldeo por inyección 

La mayoría de las aplicaciones del moldeo por inyección involucran a los termoplásticos. En esta sección se describen algunas variaciones del proceso. 

Moldeo por inyección de espuma termoplástica Las espumas de plástico tienen varias aplicaciones, y en la sección 13.11 se estudian dichos materiales y su procesamiento. Uno de los procesos, en ocasiones llamado moldeo de espuma estructural, es apropiado que se estudie aquí porque se trata de moldeo por inyección. Involucra el moldeo de piezas de termoplástico que poseen una capa exterior densa que rodea a un centro de espuma ligera. Dichas piezas tienen razones de rigidez a peso apropiadas para las aplicaciones estructurales. 

Una pieza de espuma estructural se produce ya sea con la introducción de gas en el plástico fundido en la unidad de inyección o con la mezcla de un ingrediente que produzca gas con los pellets de inicio. Durante la inyección, se fuerza dentro de la cavidad del molde una cantidad insuficiente de material fundido, donde se expande (espuma) y lo llena. Las celdas de la espuma en contacto con la superficie fría del molde se colapsan y forman una capa densa, en tanto que el material en el núcleo retiene su estructura celular. Los artículos hechos con espuma estructural incluyen estuches para electrónica, carcasas de máquinas para negocios, componentes de muebles y tanques para lavadoras. Las ventajas citadas del moldeo de espuma estructural incluyen presiones de inyección y fuerzas de sujeción más bajas, con lo que se está en capacidad de producir componentes grandes, como lo sugiere la lista anterior. Una desventaja del proceso es que las superficies resultantes de la pieza tienden a ser rugosas, con vacíos ocasionales. Si la aplicación necesitara un buen acabado de la superficie, entonces se requeriría procesamiento adicional, como lanzamiento de arena, pintura y la adhesión de un revestimiento. 

Procesos de moldeo por inyección múltiple Es posible obtener efectos poco usuales por medio de la inyección múltiple de polímeros diferentes para moldear una pieza. Los polímeros se inyectan en forma simultánea o secuencial, y puede haber más de una cavidad de molde involucrada. Varios procesos caen en este rubro, todos caracterizados por dos o más unidades de inyección; así, el equipamiento para estos procesos es caro. 

El moldeo en sándwich incluye la inyección de dos polímeros separados; uno constituye la capa externa de la pieza y la otra el núcleo interno, que es el caso común de una espuma de polímero. Una boquilla de diseño especial controla la secuencia de flujo de los dos polímeros dentro del molde. La secuencia está diseñada de modo que el polímero del núcleo quede rodeado por completo por el material de la capa exterior dentro de la cavidad del molde. La estructura final es similar a la de una espuma estructural. Sin embargo, la moldura posee una superficie suave, con lo que se evita una de las desventajas principales del proceso anterior. Además, consiste en dos plásticos distintos, cada uno de los cuales tiene características propias adecuadas para la aplicación. 

Otro proceso de moldeo por inyección múltiple involucra la inyección secuencial de dos polímeros en un molde de dos posiciones. Con el molde en la primera posición, se inyecta el primer polímero en la cavidad. Después se abre el molde en la segunda posición y se inyecta el segundo en la cavidad agrandada. La pieza que resulta consiste en dos plásticos conectados en forma integral. El moldeo por inyección doble se utiliza para combinar plásticos de dos colores distintos (por ejemplo, cubiertas de las luces traseras de los automóviles) o para obtener propiedades diferentes en secciones distintas de la misma pieza. 

Moldeo por inyección de termofijos Éste se emplea para plásticos termofijos (TS), con ciertas modificaciones del equipo y procedimiento de operación, a fin de permitir el entrecruzamiento. Éstas máquinas son similares a las que se emplean para termoplásticos. Utilizan una unidad de inyección de tornillo recíproco, pero la longitud del barril es más corta para evitar la cura y solidificación prematuras del polímero TS. Por la misma razón, las temperaturas en el barril se mantienen a niveles relativamente bajos, por lo general de 50 ºC a 125 ºC (120 ºF a 260 ºF), lo que depende del polímero. El plástico, por lo general en forma de pellets o gránulos, se alimenta por medio de una tolva. La plastificación ocurre por la acción del tornillo rotatorio conforme el material se mueve hacia delante en dirección de la boquilla. Cuando se ha acumulado suficiente material fundido por delante del tornillo, se inyecta a un molde que se calienta entre 150 ºC y 230 ºC (300 ºF a 450 ºF), donde ocurre el entrecruzamiento para endurecer el plástico. Entonces se abre el molde y la pieza se eyecta y retira. Es común que los tiempos del ciclo de moldeo varíen en el rango de 20 segundos a 2 minutos, lo que depende del tipo de polímero y tamaño de la pieza. 

La cura es la etapa del ciclo que más tiempo consume. En muchos casos, la pieza se retira del molde antes de que finalice la cura, de modo que el endurecimiento final sucede debido al calor conservado durante un minuto o dos después de retirarla. Un enfoque alternativo consiste en usar una máquina de molde múltiple, en el que se adjuntan dos o más moldes a una cabeza indizadora atendida por una sola unidad de inyección. 

Los termofijos principales para el moldeo por inyección son los fenoles, poliésteres insaturados, melaminas, epóxicos y formaldehídos de urea. También los elastómeros se moldean por inyección (sección 14.1.4). Más de 50% de los moldeos de fenólicos que se producen en Estados Unidos se lleva a cabo con este proceso, lo que representa un abandono del moldeo por compresión y transferencia, procesos tradicionales que se utilizan para los termofijos (sección 13.7). La mayoría de los materiales del moldeo TS contienen grandes proporciones de rellenadores (hasta 70% de su peso), incluso fibras de vidrio, arcilla, fibras de madera y negro de humo. En efecto, éstos son materiales compuestos que se moldean por inyección. 

Moldeo por inyección de reacción El moldeo por inyección de reacción (RIM, por sus siglas en inglés) involucra la mezcla de dos ingredientes líquidos muy reactivos, con la inyección inmediata de ésta en la cavidad de un molde, donde reacciones químicas hacen que ocurra la solidificación. Los dos ingredientes forman los componentes empleados en sistemas activados por catalizadores o por mezcla (sección 8.3.1). Los uretanos, epóxicos y formaldehídos de urea son ejemplos de estos sistemas. El RIM se desarrolló con el poliuretano para producir grandes componentes automotrices tales como defensas, alerones y salpicaderas. Esta clase de piezas constituye la aplicación principal del proceso. Es común que las piezas de poliuretano obtenidas con RIM posean una estructura interna de espuma rodeada por una capa exterior densa.

Como se aprecia en la figura 13.27, los ingredientes líquidos se bombean en cantidades medidas con precisión, desde tanques separados hacia una cabeza mezcladora. Los ingredientes se mezclan con rapidez y luego se inyectan a la cavidad del molde con una presión relativamente baja, donde ocurre la polimerización y cura. El tiempo normal de un ciclo es de alrededor de 2 minutos. Para cavidades relativamente grandes, los moldes para RIM son mucho menos costosos que los correspondientes al moldeo por inyección convencional. Esto se debe a las fuerzas pequeñas de las abrazaderas que se requieren en el RIM y a la oportunidad de utilizar componentes ligeros en los moldes. 

Entre las ventajas del RIM están que 1) se requiere poca energía para el proceso, 2) los costos del equipo y molde son menores que los del moldeo por inyección, 3) se dispone de una variedad de sistemas químicos que permiten obtener propiedades específicas del producto moldeado y 4) el equipo de producción es confiable, los sistemas químicos y las relaciones de la máquina se comprenden bien.

MOLDEO POR COMPRESIÓN Y TRANSFERENCIA 

En esta sección se estudian dos técnicas que se emplean mucho para polímeros termofijos y elastómeros. Para los termoplásticos, estas técnicas no alcanzan la eficiencia del moldeo por inyección, excepto para aplicaciones muy especiales.

Moldeo por compresión 

Es un proceso antiguo y muy utilizado para plásticos termofijos. Sus aplicaciones también incluyen discos de fonógrafo termoplásticos, llantas de caucho y varias piezas compuestas de matriz de polímero. El proceso, que se ilustra en la figura 13.28 para un plástico TS, consiste en 1) cargar la cantidad precisa del compuesto de moldeo, llamada carga, en la mitad inferior de un molde calentado; 2) juntar las mitades del molde para comprimir la carga, forzarla a que fluya y adopte la forma de la cavidad; 3) calentar la carga por medio del molde caliente para polimerizar y curar el material en una pieza solidificada; y 4) abrir las mitades del molde y retirar la pieza de la cavidad.

La carga inicial del compuesto para el moldeo puede estar en varias formas, incluso polvo o pellets, líquida o preformada. La cantidad de polímero debe controlarse con precisión para obtener consistencia repetible en el producto moldeado. Se ha vuelto práctica común precalentar la carga antes de colocarla en el molde; esto suaviza al polímero y acorta la duración del ciclo de producción. Los métodos de precalentamiento incluyen calentadores infrarrojos, convección en un horno y uso de tornillo rotatorio caliente en un barril. La última técnica (tomada del moldeo por inyección) también se usa para medir la cantidad de la carga. 

Las prensas para moldeo por compresión se orientan en forma vertical y contienen dos placas a las que se sujetan las mitades del molde. Las prensas involucran dos tipos de actuación: 1) ascenso de la placa inferior o 2) descenso de la placa superior; la primera es la configuración más común de la máquina. Por lo general, son movidas por un cilindro hidráulico diseñado para proporcionar capacidades de sujeción de varios cientos de toneladas. 

Los moldes para moldeo por compresión generalmente son más sencillos que sus contrapartes para inyección. En un molde para compresión no hay sistema de bebedero y vaciadero y el proceso en sí, por lo general, está limitado a formas sencillas de la pieza, debido a las capacidades menores de flujo de los materiales termofijos con los que se inicia. Sin embargo, deben tomarse medidas para calentar el molde, que, por lo general, se lleva a cabo con resistencia eléctrica, vapor o circulación de aceite caliente. Los moldes para compresión se clasifican en moldes manuales, que se emplean para hacer ensayos; semiautomáticos, en los que la prensa sigue un ciclo programado, pero es el operador quien la carga y descarga en forma manual; y automáticos, que operan con un ciclo de prensa totalmente automático (incluso para la carga y descarga). 

Los materiales para moldeo por compresión incluyen fenoles, melamina, formaldehído de urea, epóxicos, uretanos y elastómeros. Las molduras comunes de plásticos TS incluyen conexiones eléctricas, sóckets y carcasas; manijas de trastos y vajillas. Las ventajas más notables del moldeo por compresión en dichas aplicaciones incluyen las siguientes: los moldes son más sencillos, menos caros y requieren poco mantenimiento; menor desperdicio y esfuerzos residuales bajos en las piezas moldeadas (lo que favorece el empleo de este proceso para piezas delgadas planas, como discos de fonógrafo). Una desventaja frecuente son las duraciones mayores del ciclo y, por tanto, tasas de producción menores que las del moldeo por inyección.

Moldeo por transferencia 

En este proceso se introduce una carga termofija (preformada) a una cámara inmediatamente delante de la cavidad del molde, donde se calienta; después se aplica presión para forzar al polímero suavizado a fluir hacia el molde caliente en el que ocurre la cura. Hay dos variantes del proceso, que se ilustra en la figura 13.29: a) moldeo por transferencia de vasija, en el que la carga se inyecta desde una “vasija” a través de un canal de mazarota vertical en la cavidad; y b) moldeo por transferencia de pistón, en el que la carga se inyecta por medio de un pistón desde un depósito caliente a través de canales laterales hacia la cavidad del molde. En ambos casos, en cada ciclo se generan desperdicios en forma de material sobrante en la base del depósito y los canales laterales, llamado desecho. Además, en la transferencia de vasija el bebedero constituye material que se desperdicia. Debido a que los polímeros son termofijos, los desechos no pueden recuperarse. 

El moldeo por transferencia se relaciona de cerca con el de compresión, porque se utiliza con los mismos tipos de polímero (termofijos y elastómeros). También se observan similitudes con el moldeo por inyección, en la forma en que la carga se precalienta en una cámara separada y después se inyecta en el molde. El moldeo por transferencia es capaz de moldear formas de pieza que son más intrincadas que en el moldeo por compresión, pero no tan complejas como con el moldeo por inyección. El moldeo por transferencia también llega a moldear con inserciones, para lo que se coloca un inserto de metal o cerámica dentro de la cavidad, antes de la inyección, y el plástico calentado se adhiere a aquél durante el moldeo

MOLDEO POR SOPLADO Y MOLDEO ROTACIONAL 

Estos dos procesos se emplean para fabricar piezas huecas y sin costura de polímeros termoplásticos. El moldeo rotacional también se utiliza para termofijos. El tamaño de las piezas varía desde botellas de plástico pequeñas de sólo 5 ml (0.15 oz) a tambos de almacenamiento grandes, de 38 000 litros (10 000 gal) de capacidad. Aunque en ciertos casos los dos procesos compiten, por lo general tienen sus nichos propios. El moldeo por soplado es más apropiado para la producción en masa de contenedores desechables pequeños, en tanto que el rotacional es propio para formas más grandes y huecas.

Moldeo por soplado 

El moldeo por soplado es un proceso en el que se utiliza presión del aire para inflar plástico suave dentro de la cavidad de un molde. Es un proceso industrial importante para fabricar piezas de plástico huecas, de una sola pieza y con paredes delgadas, como botellas y contenedores similares. Debido a que muchos de esos artículos se utilizan para bebidas para el consumidor destinadas a mercados masivos, su producción está organizada para cantidades muy grandes. La tecnología proviene de la industria del vidrio (sección 12.2.1), con la que los plásticos compiten en el mercado de las botellas desechables y reciclables. 

El moldeo por soplado se lleva a cabo en dos etapas: 1) fabricación de un tubo de inicio de plástico fundido, llamado parison (igual que en el soplado del vidrio), y 2) inflación del tubo hasta que adquiere la forma final que se desea. El formado del parison se lleva a cabo por cualquiera de dos procesos: 1) extrusión o 2) moldeo por inyección. 

Moldeo por soplado y extrusión Esta forma de moldear consiste en el ciclo que se ilustra en la figura 13.30. En la mayoría de casos el proceso se organiza como operación de producción elevada para fabricar botellas de plástico. La secuencia es automática y, por lo general, se integra con operaciones posteriores tales como el llenado y etiquetado de las botellas. 

Por lo general, se requiere que el contenedor soplado sea rígido, y la rigidez depende del espesor de la pared, entre otros factores. El espesor de la pared del contenedor soplado se relaciona con el parison de extruido inicial, lo que supone una forma cilíndrica del producto final. El efecto de la expansión del troquel sobre el parison se presenta en la figu ra 13.31. El diámetro medio del tubo conforme sale del troquel se determina con la media del diámetro del troquel Dd. La expansión del troquel ocasiona la expansión hasta un diámetro medio del parison Dp. Al mismo tiempo, el espesor de la pared se expande de t d a t p. La razón de expansión del diámetro del parison está dada por

La cantidad de expansión del troquel en el proceso inicial de extrusión se mide por observación directa; y las dimensiones del troquel son conocidas. Así, es posible determinar el espesor de pared del contenedor moldeado por soplado. 

Dado el espesor de pared del contenedor moldeado, se puede obtener una expresión para la presión de aire máxima que evita que el parison se queme durante el inflado.

Una ecuación que proviene de la resistencia de materiales relaciona el esfuerzo con la presión interna p en un tubo, dado su diámetro D y espesor de pared t:

Con el razonamiento de que el esfuerzo máximo ocurrirá justo antes de que el parison se expanda al tamaño del diámetro del molde soplado (esto es, cuando D sea máximo y t mínimo), y al reacomodar la ecuación (13.26) para resolver p, se obtiene

donde p es la presión del aire usada durante el moldeo soplado, en Pa (lb/in2 ); σ esfuerzo de la tensión máxima permisible en el polímero durante la inflación, Pa (lb/in2 ); y t m y Dm son el espesor y diámetro de pared, respectivamente, del molde, m (in). La dificultad para utilizar la fórmula es la determinación del esfuerzo permisible porque el polímero se encuentra en una condición de calentamiento y muy plástica. En una operación industrial, los parámetros del proceso se estiman por ensayo y error.

 Moldeo soplado por inyección En este proceso, el parison de inicio se moldea por inyección en vez de extrusión. En la figura 13.32 se presenta una secuencia simplificada. En comparación con su proceso competidor basado en la extrusión, el de soplado por inyección tiene una tasa de producción menor, lo que explica por qué se usa menos. 

En una variante del moldeo con soplado por inyección, llamada moldeo soplado por estiramiento (figura 13.33), la barra de soplado se extiende hacia abajo dentro del parison moldeado por inyección durante la etapa 2, lo que estira el plástico suave y crea un esfuerzo más favorable del polímero que el moldeo por inyección convencional o soplado por extrusión. La estructura resultante es más rígida, con más transparencia y resistencia mayor al impacto. El material más utilizado para el moldeo soplado por estiramiento es el tereftalato de polietileno (PET), un poliéster que tiene permeabilidad muy baja y adquiere resistencia por medio del proceso de moldeo soplado por estiramiento. La combinación de propiedades lo hace ideal como contenedor de bebidas carbonatadas. 

Materiales y productos El moldeo soplado se limita a los termoplásticos. El polietileno es el polímero de uso más común para este proceso, en particular, el de alta densidad y peso molecular elevado (HDPE y HMWPE). Si se comparan sus propiedades con las del PE de baja densidad dados los requerimientos de rigidez del producto final, es más económico usar estos materiales más caros debido a que las paredes del contenedor pueden fabricarse más delgadas. Otras molduras por soplado están hechas de polipropileno (PP), cloruro de polivinilo (PVC) y tereftalato de polietileno. 

Los contenedores desechables para empacar bienes de consumo líquidos constituyen la mayor parte de productos que se fabrican con moldeo por soplado, pero no son los únicos. Otros incluyen tambos grandes (55 gal) para embarcar líquidos y polvos, grandes tanques de almacenamiento (2 000 gal), tanques para gasolina de automóviles, juguetes y cascos para veleros y botes pequeños. En el último caso, se fabrican dos cascos en un moldeo único por soplado y se cortan posteriormente para formar dos cascos abiertos.

Moldeo rotacional 

El moldeo rotacional utiliza la gravedad en lugar de un molde rotatorio, a fin de lograr una forma hueca. El también llamado rotomoldeo es una alternativa al moldeo por soplado a fin de fabricar formas grandes y huecas. Se emplea principalmente para polímeros termoplásticos, pero cada vez son más comunes las aplicaciones para termofijos y elastómeros. El rotomoldeo tiende a favorecer configuraciones geométricas externas más complejas, piezas más grandes y cantidades de producción pequeñas, más que el moldeo por soplado. El proceso consiste en las siguientes etapas: 1) se carga una cantidad predeterminada de polvo de polímero en la cavidad de un molde deslizante. 2) Después se calienta el molde y se gira en forma simultánea sobre dos ejes perpendiculares, de modo que el polvo impregna todas las superficies interiores del molde, y forma gradualmente una capa fundida de espesor uniforme. 3) Mientras aún gira, el molde se enfría de modo que la capa exterior de plástico se solidifica. 4) Se abre el molde y se descarga la pieza. Las velocidades rotacionales que se emplean en el proceso son relativamente bajas. Es la gravedad, no la fuerza centrífuga, la que genera el recubrimiento uniforme de las superficies del molde. 

En el moldeo rotacional, los moldes son simples y baratos, en comparación con el moldeo por inyección o por soplado, pero el ciclo de producción es mucho más largo, y dura 10 minutos o más. Para balancear estas ventajas y desventajas en la producción, es frecuente que el moldeo rotacional se lleve a cabo en una máquina de cavidades múltiples, como la de tres estaciones que se ilustra en la figura 13.34. La máquina está diseñada para indizar tres moldes en secuencia a través de las tres estaciones de trabajo. Así, se trabaja con los tres moldes en forma simultánea. La primera estación de trabajo es de carga y descarga, en la que la pieza terminada se retira del molde; y se carga el polvo en la cavidad, para la pieza siguiente. La segunda estación consiste en una cámara de calentamiento en la que aire a temperatura alta calienta el molde por convección al mismo tiempo que éste gira. Las temperaturas dentro de la cámara son de alrededor de 375 ºC (700 ºF), lo que depende del polímero y el artículo que se moldea. La tercera estación enfría el molde, con el uso de aire frío forzado o rocío de agua, para enfriar y solidificar el plástico interior del molde. Con moldeo rotacional se elabora una variedad fascinante de artículos. La lista incluye juguetes huecos tales como caballitos y pelotas; cascos de lanchas y canoas, cajas de arena, alberquitas; boyas y otros dispositivos de flotación; elementos de cajas de tráiler, tableros automotrices, tanques de combustible; piezas de equipaje, mobiliario, botes para basura; maniquíes; barriles industriales de gran tamaño, contenedores y tanques de almacenamiento; excusados portátiles, y tanques sépticos. El material más utilizado para moldear es el polietileno, en especial el HDPE. Otros plásticos incluyen el polipropileno, ABS y poliestireno de alto impacto.

TERMOFORMADO 

El termoformado es un proceso en el que se calienta y deforma una hoja plana termoplástica para hacer que adquiera la forma deseada. El proceso se utiliza mucho para empacar productos de consumo y para fabricar artículos grandes como tinas de baño, reflectores de contorno y forros interiores de puertas para refrigeradores. 

El termoformado consiste en dos etapas principales: 1) calentamiento y 2) formado. Por lo general, el calentamiento se realiza con el empleo de calentadores eléctricos radiantes, localizados a ambos lados de la hoja de plástico inicial, a una distancia aproximada de 125 mm (5 in). La duración del ciclo de calentamiento necesario para suavizar lo suficiente la hoja depende del polímero, de su espesor y color. Los métodos por los que se lleva a cabo la etapa de formado se clasifican en tres categorías básicas: 1) termoformado al vacío, 2) termoformado de presión y 3) termoformado mecánico. En el estudio de dichos métodos se describió el formado de materiales en forma de hoja; en la industria del empaque, la mayor parte de operaciones de termoformado se ejecutan sobre películas delgadas.

Termoformado al vacío El primer método fue el termoformado al vacío (llamado tan sólo formado al vacío, cuando se creó en la década de 1950) en el que se utiliza una presión negativa para empujar una hoja precalentada contra la cavidad de un molde. El proceso se explica en la figura 13.35, en su forma más básica. Los agujeros para inducir el vacío en el molde son del orden de 0.8 mm (0.031 in) de diámetro, por lo que su efecto sobre la superficie del plástico es menor. 

Termoformado de presión Una alternativa para formar al vacío involucra a una presión positiva que fuerza al plástico calentado hacia la cavidad del molde. Ésta se llama termoformado de presión, o formado por soplado; su ventaja sobre el formado al vacío es que es posible generar presiones más grandes, ya que esta última se limita a un máximo teórico de 1 atm. En el formado por soplado son comunes las presiones de 3 a 4 atm. La secuencia del proceso es similar a la anterior; la diferencia estriba en que la hoja se presuriza desde arriba de la cavidad del molde. En el molde hay agujeros de conducción para expulsar el aire atrapado. En la figura 13.36 se ilustra la porción formadora de la secuencia (etapas 2 y 3). En este punto, es útil distinguir entre los moldes positivo y negativo. Los moldes que se muestran en las figuras 13.35 y 13.36 son moldes negativos debido a que tienen cavidades cóncavas. Un molde positivo tiene forma convexa. En el termoformado se utilizan ambos tipos. En el caso del molde positivo, la hoja calentada se oprime sobre la forma convexa y se utiliza presión negativa o positiva para forzar al plástico contra la superficie del molde. En la figura 13.37 se muestra el molde positivo para el caso de formado al vacío.

Podría parecer que la diferencia entre los moldes positivo y negativo carece de importancia, porque las formas de la pieza son idénticas, como se aprecia en los diagramas. Sin embargo, si la pieza se presiona contra un molde negativo, entonces su superficie exterior tendrá el mismo aspecto que la de la cavidad del molde. La superficie interior será una aproximación del contorno y poseerá un acabado correspondiente al de la hoja de inicio. Por el contrario, si la hoja se presiona sobre un molde positivo, entonces su superficie interior será igual a la del molde convexo y su superficie exterior seguirá aproximadamente igual. En función de los requerimientos del producto, esta diferencia puede ser importante. 

Otra diferencia está en el adelgazamiento de la hoja de plástico, que es uno de los problemas del termoformado. A menos que el contorno del molde sea muy somero, habrá un adelgazamiento significativo de la hoja según se estire para conformarse al contorno del molde. Los moldes positivo y negativo producen patrones de adelgazamiento diferentes en una pieza dada. Considere el lector la pieza en forma de tina que se da como ejemplo. En el molde positivo, conforme la hoja se presiona sobre la forma convexa, la porción en contacto con la superficie superior (que corresponde a la base de la tina) se solidifica con rapidez y no experimenta virtualmente ningún estiramiento. Esto da como resultado una base gruesa pero un adelgazamiento significativo de las paredes de la tina. Por el contrario, un molde negativo genera una distribución más pareja del estiramiento y adelgazamiento de la hoja antes de que haga contacto con la superficie fría. 

Una forma de mejorar la distribución del adelgazamiento con un molde positivo es preestirar la hoja antes de plegarla sobre la forma convexa. Como se ve en la figura 13.38, la hoja de plástico calentada se estira de modo uniforme por la presión del vacío hacia una forma esférica antes de empujarla sobre el molde. 

La primera etapa que se ilustra en el recuadro 1) de la figura 13.38 puede utilizarse por sí sola como un método para producir piezas en forma de globo, tales como tragaluces y domos transparentes. En el proceso se aplica aire a presión muy controlada para inflar la hoja suave. La presión se mantiene hasta que la forma soplada se ha solidificado.

Termoformado mecánico El tercer método, llamado termoformado mecánico, utiliza moldes positivos y negativos que se juntan contra la hoja de plástico calentada, lo que la fuerza a adoptar la forma de ellos. En el método de formado mecánico puro no se utiliza en absoluto la presión del aire (positiva o negativa). En la figura 13.39 se ilustra el proceso. Sus ventajas son que se tiene un control dimensional mejor y la oportunidad de detallar la superficie de la pieza por ambas caras. La desventaja es que se requieren dos mitades de molde; por esa razón, los moldes para los otros dos métodos son menos costosos. 

Aplicaciones El termoformado es un proceso de conformación secundario; el proceso primario es que produce la hoja o película (sección 13.3). Sólo los termoplásticos pueden termoformarse, ya que las hojas extruidas de polímeros termofijos o elastoméricos ya tienen entrecruzamiento y no es posible suavizarlas volviéndolas a calentar. Los plásticos comunes para el termoformado son el poliestireno, acetato de celulosa y butirato acetato de celulosa, ABS, PVC, acrílico (polimetilacrilato), polietileno y polipropileno. 

En la industria del empaque se llevan a cabo operaciones de termoformado para producción en masa. La hoja o película inicial se alimenta con rapidez a través de la cámara de calentamiento y luego se le da mecánicamente la forma que se desea. Es frecuente que las operaciones se diseñen para producir piezas múltiples a cada paso de la prensa con el empleo de moldes con muchas hormas y cavidades. En ciertos casos, la máquina de extrusión que produce la hoja o película se localiza inmediatamente antes del proceso de termoformado, con lo que se elimina la necesidad de recalentar el plástico. Y para tener una eficiencia mayor, el proceso de llenado que coloca el artículo alimenticio consumible dentro del contenedor se sitúa de inmediato después del termoformado. 

Los artículos de película delgada para empaque que se producen en masa con termoformado incluyen paquetes de ampolletas y envolturas. Ofrecen una manera atractiva de presentar ciertos productos de consumo tales como cosméticos, artículos para baño, herramientas pequeñas y sujetadores (grapas, tornillos, etc). Las aplicaciones del termoformado incluyen piezas grandes que pueden producirse a partir de hojas más gruesas. Algunos ejemplos incluyen cubiertas para máquinas de oficina, cascos de lancha, regaderas, difusores de luz, anuncios de publicidad y señalamientos, tinas para baño y ciertos juguetes. Ya se mencionaron tragaluces y forros interiores de las puertas de los refrigeradores. Éstos se harían, respectivamente, de acrílico (por su transparencia) y ABS (debido a la facilidad de formarlo y su resistencia a los aceites y grasas que hay en los refrigeradores).