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Jan 22, 2024

Enfriamiento de moldes de inyección: un regreso a los fundamentos

Bill Tobin | 03 de noviembre de 2019 Leemos y escuchamos mucho sobre "avances" en nuestro

bill tobin 03 de noviembre de 2019

Leemos y escuchamos mucho sobre "avances" en nuestra industria: los robots eliminan a los operadores; los sistemas de alimentación automática nunca permiten que la máquina se seque; Los transductores y procesadores de señales elegantes monitorean cada microsegundo del proceso de moldeo. Sin embargo, con todos estos artilugios, ¿estamos viendo más ganancias y un retorno de la inversión por el dinero gastado? En realidad no, porque nos ha deslumbrado la tecnología e ignorado los fundamentos.

Recientemente, recibí un correo electrónico de un tipo que acababa de asumir el cargo de técnico principal. Se preguntó sobre el uso de enfriadores y su costo. También se preguntó acerca de la calidad de sus productos cuando la hoja de configuración utilizó "agua de torre" como fuente principal de enfriamiento para moldes y máquinas.

El problema con el agua de la torre

Abordemos primero el problema simple pero que a menudo se pasa por alto: el agua de la torre. Cuando las personas construyen por primera vez una planta de moldeo, deciden la cantidad y el tamaño de las máquinas de moldeo y calculan los requisitos de energía y enfriamiento. Lo que tienden a ignorar es lo que sucede cuando se compran máquinas adicionales, porque eso está cubierto por los "márgenes de seguridad" de los diseños originales.

El intercambio de calor es necesario porque:

El aceite de máquina calentado se enfría directamente desde la torre. El calor del plástico fundido primero se disipa en el acero del molde, se transfiere a los circuitos de enfriamiento y luego al intercambiador de calor del molde (genéricamente llamado Thermolater, aunque hay otros proveedores) y finalmente a los circuitos de enfriamiento evaporativo de la torre.

El enfriamiento evaporativo depende de la evaporación del agua. Esto depende de la temperatura exterior, la humedad relativa y muchas otras variables. Es obvio que cuando cambia el aire exterior, la temperatura del agua de la torre también cambiará. A medida que cambia la temperatura del agua de la torre, cambiará la temperatura de su molde y cambiarán las dimensiones y la calidad de sus piezas.

Otra razón para evitar poner agua de torre directamente en su molde es la acumulación de incrustaciones. Con el agua fluyendo a través de un molde, tiene la configuración perfecta para la electrólisis, donde los minerales en el agua se depositarán en las líneas de flotación. Solo 0,4 mm (1/64 pulg.) de acumulación de sarro puede reducir la eficiencia de transferencia de calor de una línea de flotación en un 60 %, incluso con un flujo adecuado.

Datos curiosos sobre las temperaturas de distorsión térmica

Primer dato curioso: la temperatura de eyección ideal para cualquier pieza moldeada es cuando alcanza el 80 % de la temperatura de distorsión térmica (HDT) del material. Segundo dato curioso: si consulta la literatura, ninguna HDT de resina termoplástica es tan baja que la cifra del 80% resulte ser temperatura ambiente o inferior. Existen algunas excepciones prácticas: los elastómeros de paredes delgadas tienden a voltearse al revés durante la eyección. Si no se sacrifican las dimensiones, si "enfría demasiado" la pieza antes de la expulsión, puede ser lo suficientemente rígida como para expulsarla de manera convencional.

Estos hechos divertidos plantean una simple pregunta: si esto es correcto, ¿por qué necesitamos enfriadores? Utiliza un enfriador en un intento de superar el enfriamiento inadecuado en un molde.

La mayoría de los moldes utilizan un Thermolator para mantener la temperatura del molde de modo que la pieza pueda alcanzar el 80 % de HDT de la manera más eficiente posible. Tenga en cuenta que el plástico es un mal conductor del calor. El calor del plástico se irradia con relativa lentitud hacia el acero del molde. Las características de transferencia de calor del acero del molde y el agua en las líneas de enfriamiento son muchas veces más rápidas.

El eslabón débil en este sistema de transferencia de calor plástico-metal-agua es el caudal del agua. Cuando el agua fluye suavemente como una corriente suave, fluye en capas: esto se llama flujo laminar. La capa que está en contacto con algo, las paredes de la línea de flotación o el fondo de la corriente, fluirá muy lentamente. El agua en la parte superior de la corriente o en el centro de la línea de flotación solo tiene que deslizarse más allá de sí misma y los flujos deben ser más rápidos. Con el flujo laminar, el calor se transfiere muy lentamente porque tiene que calentar esta capa estacionaria antes de que las capas que fluyen puedan recogerlo y salir del molde.

El efecto de flujo laminar se detiene cuando aumenta el flujo. Deja de fluir en capas y comienza a caer sobre sí mismo. Esto se llama flujo turbulento. Con el agua cayendo sobre sí misma en una línea de flotación, recoge calor directamente del acero del molde. El flujo turbulento se mide con un número adimensional muy complejo llamado número de Reynolds que utiliza el volumen de flujo, el tamaño del canal de flujo, el calor del agua y la viscosidad del agua. En lugar de pasar por el cálculo, una regla general es que 1 galón por minuto (GPM) por circuito siempre le dará un flujo turbulento en situaciones normales de moldeo.

Imagen: Adobe Stock

Puede comprar medidores de flujo a bajo precio. Conéctelos en línea y vea lo que tiene. Los resultados pueden sorprenderte. Aquí hay unos ejemplos.

Edad: Como todo lo demás, los termolatores y enfriadores se desgastan con el tiempo. Un Thermolator no es algo a lo que le demos mantenimiento. Primero, verifique la presión de salida de su Thermolator como se indica en su manual de operación. En muchos casos, las bombas son viejas, cansadas e incapaces de generar suficiente presión para bombear el 1 GPM necesario por circuito. Reparar, reemplazar o retirar equipos desgastados.

Resistencia de línea: Hagamos un experimento mental: desea regar el césped delantero y trasero al mismo tiempo. Solo tienes un grifo en el frente de tu casa. Con un conector en T, conecta una manguera de 15 pies para el patio delantero y una manguera de 75 pies para rodear su casa y llegar al patio trasero. Pones dos aspersores idénticos en cada manguera. Al abrir el agua, cree que irá a cada jardín cantidades iguales, pero observa que el aspersor del jardín delantero está disparando más de 25 pies en el aire, mientras que el aspersor del patio trasero solo está disparando cinco pies. Se pregunta por qué: la misma fuente de presión debería tener el mismo flujo. Se olvidó de la energía que se necesita para empujar el agua a través de la manguera más larga. El agua siempre tomará el camino de menor resistencia. Las líneas de veinte pies desde el Thermolator hasta el molde requieren que la unidad trabaje más y solo enriquezca a su empresa de servicios públicos.

Conexiones

Figura 1: En el mejor de los mundos, cada cavidad tiene refrigeración individual con un circuito que va al colector principal de la máquina. Todas las presiones y caudales son iguales.

Las figuras 2 y 3 muestran cuatro cavidades enlazadas entre sí. La resistencia de cada deflector se agravará con el siguiente, impidiendo severamente el flujo. la figura 2 muestra un bucle externo; la figura 3 muestra un bucle interno.

Las figuras 4 y 5 muestran un lazo de escalera. Puede caer en una trampa de productividad si no está bien diseñado (una de las principales excusas para usar un enfriador). Ambas cifras dan la ilusión de que un circuito enfría solo dos cavidades. La Figura 4 muestra la "entrada" y la "salida" en la parte inferior de la escalera. Esto es como nuestro experimento mental. La mayor parte del flujo enfriará las cavidades más cercanas a la entrada. Será cada vez menor cuanto más se aleje de la entrada y la salida. La figura 5 muestra la entrada en la parte inferior y la salida en la parte superior. Mientras que la parte inferior de la escalera ve una alta presión de entrada, también ve una alta resistencia a la salida, equilibrando así el flujo.

Muchos moldes se construyen con circuitos cortos y largos. Mire los diseños de moldes y designe los circuitos que se pueden enlazar y lo que no debería hacer que todos los circuitos se acerquen a la misma cantidad de flujo.

¿Cómo documentamos las conexiones de la línea de flotación? He visto fotografías (difíciles de ver con más de ocho circuitos), bocetos (difíciles de leer) y descripciones (a veces difíciles de hacer). La mejor solución es tomar de la descripción escrita que obtiene para las direcciones de conducción de su GPS.

En la Figura 6, puede ver que el circuito n.º 1 tiene cinco bucles, mientras que el circuito n.º 4 es directo y sin bucles. Es sorprendente cómo los técnicos creen que pueden memorizar estos "mapas de línea de flotación". no pueden

Otro "asesino del flujo" es tan obvio que es triste. Si tiene más de 15 máquinas, existe una probabilidad superior al 80 % de que pueda encontrar al menos un circuito cortado. Ha enlazado dos circuitos con un tramo de manguera demasiado corto, doblándolo bruscamente y apretándolo para cerrarlo.

Seguimiento: evitar errores comunes

Tenga una guía de instalación disponible cuando cuelgue un molde y pídale a alguien que:

Diámetro de la línea de flotación

Al darme cuenta de lo tonto que suena esto, he visto moldes grandes enfriados con líneas de agua de ¼ de pulgada de diámetro. La física del número de Reynolds y el sentido común le dirán que una línea de flotación de diámetro pequeño y una ruta compleja, o una con varias fuentes o burbujeadores restrictivos, requerirá una presión extremadamente alta para obtener un flujo de 1 GPM. Un buen diseño del molde también le dirá que una línea de enfriamiento solo puede enfriar de manera eficiente dentro de los tres diámetros de su pared exterior.

Si solo puede recordar una cosa sobre el tema de enfriar un molde, ponga el río Mississippi a través del molde. La temperatura es fácil de regular pero el flujo determina la temperatura del molde.

Conclusión

El moldeo por inyección debe ser divertido y aburrido. El lado divertido viene con mentalizar el proceso para equilibrar todo. Todo este esfuerzo debe realizarse cuando ejecuta/califica el molde por primera vez. Si hizo su tarea correctamente, la parte aburrida es sentarse y ver cómo aumentan las ganancias.

Epílogo

Al final de algunos correos electrónicos, mi chico probó y raspó algunos Thermolators gastados. Hizo que el ingeniero volviera a escribir claramente las hojas de proceso y los diagramas de línea de flotación. Él y su tripulación realizaron cacerías constantes y encontraron líneas de flotación pellizcadas.

Los resultados:

En otras palabras, más ganancias por menos trabajo.

Sobre el Autor

Bill Tobin tiene más de 30 años de experiencia práctica en moldeo por inyección. A través de su empresa, WJT Associates, escribe artículos, presenta trabajos e imparte seminarios para ayudar a las personas a mejorar sus ganancias y productividad. Puede ser contactado en [email protected].

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