Tema 5.2. Conformado de Plásticos (1) PDF

Ingeniería de Fabricación Grado en Ingeniería Mecánica Grado en Ingeniería Electrónica Industrial Grado en Ingeniería Eléctrica Grado en Ingeniería de Organización Industrial Unidad 5.2 Conformado de Plá...

Ingeniería de Fabricación Grado en Ingeniería Mecánica Grado en Ingeniería Electrónica Industrial Grado en Ingeniería Eléctrica Grado en Ingeniería de Organización Industrial Unidad 5.2 Conformado de Plásticos Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación Departamento de Ingeniería Mecánica y Minera Escuela Politécnica Superior de Jaén Curso Académico 2020-2021 Conformado de Plásticos ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN. DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN 2. COMPONENTES Y PREPARACIÓN 3. PROCESOS DE CONFORMADO DE PLÁSTICOS 3.1. EXTRUSIÓN 3.2. MOLDEO POR INYECCIÓN 3.3. SOPLADO 3.4. MOLDEO ROTACIONAL 3.5. TERMOFORMADO 2 1. INTRODUCCIÓN DEFINICIÓN Polímero Macromolécula formada por unidades químicas (monómeros), iguales o distintas, unidas entre sí por enlaces covalentes Monómero: molécula que se combinan para formar polímeros Dímero: polímero formado por dos monómeros; Trímero: por tres monómeros; Tetrámero: por cuatro; POLÍMERO: por n Homopolímero: polímero formado por el mismo monómero a lo largo de toda su cadena Copolímero: polímero formado por al menos 2 monómeros diferentes a lo largo de toda su cadena Fuentes: carbón, petróleo, gas natural 3 1. INTRODUCCIÓN POLIMERIZACIÓN: Polireacción química de miles de monómeros que pasan a formar parte de una larga cadena macromolecular Grado de Polimerización: número de veces que se repite la unidad monomérica en una cadena Estireno Poliestireno Poliestireno Expandido (EPS) 4 1. INTRODUCCIÓN VENTAJAS INCONVENIENTES  Resistencia a la corrosión y productos  Propiedades mecánicas inferiores a químicos las de los metales.  Baja densidad,  Elevado coeficiente de dilatación  Elevada relación resistencia-peso, térmica particularmente cuando es reforzado.  algunos son higroscópicos (absorben  Baja conductividad térmica y eléctrica humedad)  Aislante al ruido  tienen bajo rango de temperatura útil (desde 65 hasta 350ºC)  Amplia selección de colores y transparencias  menor estabilidad dimensional en servicio a través del tiempo  Facilidad de manufactura, posibilidad de diseños complejos y coste bajo 5 1. INTRODUCCIÓN CLASIFICACIÓN Origen Composición química Clasificación de los polímeros Estructura de la cadena Respuesta termo- mecánica 6 1. INTRODUCCIÓN CLASIFICACIÓN También se conocen como Polímeros polímeros de transformación semisintéticos Formados a partir de polímeros naturales (ej. caucho vulcanizado) Polímeros sintéticos Polímeros naturales Forman parte de los seres Artificiales vivos, plantas y animales. Son sintetizados en un (ej. celulosa, proteínas, ácidos nucleicos, almidón, cera, seda, ORIGEN laboratorio o industria a partir de una reacción de polimerización caucho natural, lignina, etc.) (ej. polietileno) 7 1. INTRODUCCIÓN CLASIFICACIÓN Polímeros Inorgánicos Formados por la polimerización de unidades monoméricas que poseen elementos diferentes al carbono, COMPOSICIÓN especialmente fósforo y silicio. En QUÍMICA este grupo se encuentra la silicona Polímeros Orgánicos Formados por cadenas hidrocarbonadas o derivados de ellas. En este grupo están los llamados plásticos (ej. PVC y polietileno); pero no todos los polímeros se clasifican de esta manera 8 1. INTRODUCCIÓN CLASIFICACIÓN ESTRUCTURA DE LA CADENA Polímeros Polímeros Polímeros lineales ramificados entrecruzados La polimerización ocurre El monómero no solo Dos o más cadenas lineales en una sola dirección , los reacciona por los extremos, se unen por distintas partes monómeros reaccionan también en posiciones formando una especie de por los extremos intermedias de la cadena enrejado LINEALES RAMIFICADOS ENTRECRUZADOS 9 1. INTRODUCCIÓN CLASIFICACIÓN Termoplásticos (TP):  Sólidos a temperatura ambiente  Se convierten en líquidos viscosos a T relativamente baja  Pueden someterse a ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento sin que se degraden significativamente  Proceso reversible  Procesado fácil  Adaptación a formas complejas RESPUESTA TERMO- Termoestables o Termofijos (TS): MECÁNICA  No toleran ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento  Con el calentamiento inicial se ablandan y fluyen para ser moldeados,  Toman su forma final  Si se vuelven a calentar, se degradan  Proceso irreversibble  Mejores propiedades químicas térmicas y eléctricas. No reciclables. Elastómeros (E):  Extrema extensibilidad elástica con esfuerzos mecánicos bajos  Hasta 10 veces su longitud  Estructura molecular como TS con propiedades diferentes. 10 1. INTRODUCCIÓN Termoplásticos (TP): Acetales Poliésteres (termoplásticos) Acrílicos (Polimetilmetacrilato, PMMA) Polietilenos (LDPE, HDPE) Poliamidas: Naylons y Aramidas Polipropileno Acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) Poliestirenos Celulósicos Polisulfonas Fluorocarbonos Cloruro de Polivinilo (PVC) Policarbonatos 11 1. INTRODUCCIÓN Termoplásticos (TP): POLIETILENO Aplicaciones:  Plástico más popular del mundo (junto con el PVC)  Se usa en bolsas de alimentación, tuberías, frascos de champú, juguetes infantiles, chalecos a pruebas de balas… Aspectos generales: Polímero sintético, homopolímero, termoplástico, resistente al desgaste 12 1. INTRODUCCIÓN Termoplásticos (TP): POLIPROPILENO Aplicaciones: Tapas de botellas, vasos desechables, alfombras artificiales Aspectos generales: Polímero sintético, homopolímero, termoplástico, gran resistencia a disolventes químicos ácidos y básicos 13 1. INTRODUCCIÓN Termoplásticos (TP): POLIACRILONITRILO Aplicaciones: telas de peluches, carpas, tejidos Aspectos generales: Polímero sintético, homopolímero, termoplástico 14 1. INTRODUCCIÓN Termoplásticos (TP): POLIMETACRILATO DE METILO (POLIMETILMETACRILATO, PMMA) Aplicaciones: ventanas, plástico transparente,… se conoce como vidrio acrilico o plexiglás (marca comercial) Aspectos generales: Polímero sintético, homopolímero, termoplástico 15 1. INTRODUCCIÓN Termoplásticos (TP): POLICARBONATO Aplicaciones: es traslúcido, se usa en techos, terrazas, lentes, cascos de seguridad… Aspectos generales: Polímero sintético, copolímero, termoplástico 16 1. INTRODUCCIÓN Termoestables o Termofijos (TS): Alquidos Aminos (urea y melamina) Epóxicos Fenoles Poliésteres (termofijos) Polimidas Siliconas (termofijos) POLISILOXANO Aplicaciones: Implantes de silicona, impermeabilizantes en automóviles y tejidos, lubricantes, selladores, Aspectos generales: Polímero sintético inorgánico, homopolímero 17 1. INTRODUCCIÓN Elastómeros (E): Hule Natural (latex) Hule sintético Siliconas Poliuretanos CAUCHO VULCANIZADO Aplicaciones: Fabricación de mangueras, neumáticos y rodillos para una amplia variedad de máquinas Aspectos generales: Polímero sintético, copolímero, elastómero 18 2. COMPONENTES Y PREPARACIÓN MATERIA PRIMA Materia prima = material base (monómero o polímero) + Componente aditivos, cargas y/o refuerzos base  Las compañías productoras de plásticos  sintetizan el Componentes componente base y añaden los componentes adicionales adicionales  Se suministra en forma de gránulos o pelets, polvo o resina. 19 2. COMPONENTES Y PREPARACIÓN MATERIA PRIMA Componente Material polimérico base Cargas o Rellenadores: Componentes Materiales sólidos para alterar las propiedades mecánicas del adicionales polímero o Para reducir costes del material. También se usan para mejorar la estabilidad dimensional y térmica de los polímeros Aditivos: Plastificantes: mejora características de fluidez durante su conformado Colorantes: Pigmentos y tintes  añaden color Protectores de la biodegradación Retardantes de llama: para reducir su inflamabilidad Lubricantes: para reducir la fricción durante el procesado y evitar que las piezas se adhieran a los moldes. Refuerzos: Para producir mejora de las propiedades físicas del material. No se disuelven en la matriz del polímero → material compuesto 20 2. COMPONENTES Y PREPARACIÓN MEZCLA DE COMPONENTES Primera operación en procesado de plásticos, previo al conformado OBJETIVOS asegurar homogeneidad permanente para evitar segregaciones en su manipulación posterior conseguir adecuada fluencia en las tolvas y conductos, sin aire ocluido que origine defectos en el procesado posterior Mezclador Banbury Extrusora de peletización 21 3. PROCESOS DE CONFORMADO DE PLÁSTICOS  Extrusión  Moldeo por inyección  Soplado  Moldeo rotacional  Termoformado  Colada  Expansión 22 3.1. EXTRUSIÓN Proceso de compresión en el que se fuerza al material a fluir a través de una matriz, al aplicar presión y calor, para generar un producto largo y continuo, cuya forma está definida por la forma de la sección transversal de la matriz CARACTERÍSTICAS Proceso de conformado de termoplásticos y elastómeros (rara vez con termoestables) Se parte de material en forma de polvo o pelets Producción masiva de artículos diversos: tubos, varillas, láminas, películas y perfiles estructurales, filamentos continuos y recubrimientos de cables eléctricos y alambres 23 3.1. EXTRUSIÓN EQUIPO Extrusora Tolva: Recibe la material prima en forma de pellets o polvo, y alimenta al extrusor por gravedad. Extrusor: Barril: lugar donde el material se calienta y funde. Tornillo: mueve el material por el barril y fuerza al fundido a pasar por el troquel. Dado/Troquel: No forma parte del extrusor. Se fabrica ex-profeso según el perfil que se desee producir. 24 3.1. EXTRUSIÓN PRODUCCIÓN DE PERFILES Los perfiles incluyen formas regulares (secciones redondas o cuadradas) e irregulares (perfiles estructurales), macizas o huecas (tubos). PRODUCCIÓN DE FILAMENTOS 25 3.1. EXTRUSIÓN PRODUCCIÓN DE LÁMINAS Lámina  materiales con un espesor entre 0.5 y 12.5 mm PRODUCCIÓN DE PELÍCULAS Película  materiales con espesores menores de 0.5 mm. 26 3.1. EXTRUSIÓN PRODUCCIÓN DE PELÍCULAS 27 3.1. EXTRUSIÓN PRODUCCIÓN DE LÁMINAS CALANDRADO Prensado del material termoplástico a través de una serie de rodillos que reducen su espesor hasta el deseado Comúnmente se usa para producir laminados termoplásticos, películas y telas revestidas Equipo caro pero altas velocidades de producción Acabados superficiales: brillante, mate, difuminado, texturas… Depende del recubrimiento aplicado en el último cilindro caliente 28 3.1. EXTRUSIÓN PROCESOS DE RECUBRIMIENTO Recubrimiento  Aplicación de capa de polímero sobre un material El proceso de recubrimiento con plásticos involucra la aplicación de una capa de polímero sobre un material. TRES CATEGORÍAS: La fusión de polímero se aplica al alambre desnudo, Recubrimientos de mientras éste pasa a alta velocidad a través de la alambres y cables matriz. Se aplica un ligero vacío entre el alambre y el polímero para propiciar la adición del recubrimiento. Recubrimiento planar Recubrimiento de contorno 29 3.1. EXTRUSIÓN PROCESOS DE RECUBRIMIENTO Recubrimiento  Aplicación de capa de polímero sobre un material El proceso de recubrimiento con plásticos involucra la aplicación de una capa de polímero sobre un material. TRES CATEGORÍAS: Recubrimientos de alambres y cables Para recubrir telas, papel, hojas metálicas, etc. Recubrimiento planar  Recubrimiento de 0.01 a 0.05 mm de espesor El material de recubrimiento se alimenta por extrusión con boquilla de rendija o por calandrado Recubrimiento de contorno 30 3.1. EXTRUSIÓN PROCESOS DE RECUBRIMIENTO Recubrimiento  Aplicación de capa de polímero sobre un material El proceso de recubrimiento con plásticos involucra la aplicación de una capa de polímero sobre un material. TRES CATEGORÍAS: Recubrimientos de alambres y cables Recubrimiento planar Para objetos tridimensionales Aplicación:  Por inmersión  sumergir el objeto en un baño Recubrimiento de apropiado de material polimérico fundido, contorno aplicando en seguida un enfriamiento o secado  Por aspersión  a pistola 31 3.2. MOLDEO POR INYECCIÓN Proceso consistente en calentar un polímero hasta un estado altamente plástico y hacerlo fluir bajo alta presión dentro de la cavidad de un molde donde posteriormente solidifica. Sistema de extracción. Generalmente, formas netas VENTAJAS INCONVENIENTES  Altos índices de productividad y  No es rentable para series automatización pequeñas  Moldeo de piezas pequeñas y complejas con  Máquinas caras pequeño margen de tolerancias  Moldes de inyección caros  Permite el moldeo por inyección de más de un  Difícil diseño del molde material  Piezas prácticamente acabadas  Posibilidad de volver a utilizar el material desperdiciado 32 3.2. MOLDEO POR INYECCIÓN MÁQUINA DE MOLDEO POR INYECCIÓN UNIDAD DE INYECCIÓN UNIDAD DE MOLDEO Unidad de inyección: Similar a un tornillo extrusor. El tornillo, 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. Unidad de moldeo o cierre: Mantener las dos mitades del molde alineadas en forma correcta una contra otra. Mantener cerrado el molde durante la inyección. Abrir y cerrar el molde en los momentos apropiados del ciclo de inyección. 33 3.2. MOLDEO POR INYECCIÓN 34 3.3. SOPLADO Proceso que usa aire a presión para hacer formas huecas de una sola pieza, inflando material termoplástico dentro de la cavidad del molde CARACTERÍSTICAS Proceso industrial importante para botellas para bebidas consumibles Las piezas varían en tamaño, desde pequeñas botellas hasta grandes tambores de almacenamiento de 38000 litros de capacidad. Etapas: fabricación de un tubo inicial o preforma de plástico fundido (macarrón) por cualquiera de los dos procesos: extrusión o moldeo por inyección soplado del tubo a la forma final deseada. 35 3.3. SOPLADO MOLDEO POR EXTRUSIÓN Y SOPLADO Proceso diseñado como una operación de producción a muy alta velocidad Secuencia automatizada e integrada con operaciones posteriores (llenado y etiquetado de envases) Proceso: 36 3.3. SOPLADO MOLDEO POR INYECCIÓN Y SOPLADO la preforma inicial se moldea por inyección en lugar de extrusión velocidad de producción más baja que el proceso anterior Proceso: 1) Preforma moldeada por inyección alrededor de un tubo de soplado 2) Se abre el molde de inyección y la preforma se transfiere a un molde de soplado 3) Soplado para que tome la forma del molde 4) Se abre el molde y se retira la pieza 37 3.4. MOLDEO ROTACIONAL Alternativa al moldeo por soplado a fin de fabricar formas grandes y huecas, basado en el uso de la fuerza centrífuga Inicialmente usado con termoplásticos, cada vez son más comunes las aplicaciones para termofijos y elastómeros Usado para piezas más grandes y más complejas que en inyección, aunque con lotes más pequeños de producción, dado que ciclo de producción es largo (10 minutos aprox.) Ventaja: Moldes son baratos HDPE, PP, ABS, PS 38 3.4. MOLDEO ROTACIONAL 1. Se carga una cantidad predeterminada de polvo de polímero en la cavidad de un molde deslizante 2. 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 solidifica 4. Se abre el molde y se descarga la pieza 39 3.4. MOLDEO ROTACIONAL Máquinas de cavidades múltiples para (3 estaciones) que permiten: Descarga de pieza acabada y carga de material en polvo Calentamiento en cámara por convección del molde metálico (375 ºC aprox.) Enfriamiento del molde mediante aire frío o agua pulverizada, para acelerar la solidificación del plástico en el interior del molde 40 3.4. MOLDEO ROTACIONAL 41 3.5. TERMOFORMADO Basado en el calentamiento y deformación de una lámina plana termoplástica hasta que adquiere la forma deseada No apto para termoestables ni elastómeros PS, ABS, PVC, PMMA, PE, PP Etapas: 1. Calentamiento, mediante resistencia eléctrica localizadas a ambos lados de la lámina inicial. El tiempo de calentamiento depende del material, espesor y color 2. Conformado. Existen variantes: Al vacío Por soplado (o presión) Mecánico 42 3.5. TERMOFORMADO Al vacío: Se utiliza una presión negativa para empujar una lámina precalentada contra la cavidad de un molde En ocasiones se requieren agujeros en el molde para provocar el vacío (0,8 mm) 43 3.5. TERMOFORMADO Por soplado: Presión positiva  fuerza al plástico calentado hacia la cavidad del molde Ventaja: es posible generar presiones más grandes (3 ó 4 atm, ventaja sobre vacío es el gradiente de presión, 1 atm). En el molde hay agujeros de conducción para expulsar el aire atrapado Los moldes pueden ser negativos (como en la figura) o positivos (formas convexas). Dado que la reproducción es mejor en la cara en contacto con el molde, habrá que decidir qué tipo de molde usar en función de las especificaciones a cumplir 44 3.5. TERMOFORMADO Por soplado: Problema  el adelgazamiento de la lámina según se estire para adaptarse al contorno del molde Para evitarlo  pre-estirar la lámina antes de plegarla sobre la forma convexa Por soplado también pueden fabricarse domos o tragaluces transparentes 45 3.5. TERMOFORMADO Mecánico: Utiliza moldes positivos y negativos que se juntan contra la lámina de plástico calentada, forzándola a adoptar su forma No se utiliza la presión del aire (ni positiva ni negativa) Mejor control dimensional y oportunidad de detallar la superficie de la pieza por ambas caras Mayor inversión en moldes (doble coste) 46