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¿Por qué son tan importantes los sistemas de enfriamiento en las operaciones de moldeo por inyección de plástico?
El moldeo por inyección de plástico se basa en un proceso de transferencia de calor: un conjunto de tornillo calentado en la parte frontal de la máquina de moldeo recibe el material en bruto, generalmente pellets de resina o triturado, y añade calor hasta que la resina se ablanda en una mezcla uniforme, lo que permite su inyección en el molde.
Los moldes de inyección de plástico están equipados con canales de enfriamiento internos que reciben un flujo constante de refrigerante circulante (generalmente agua) a una temperatura establecida, bombeado desde una unidad de control de temperatura (TCU). Este flujo de refrigerante sirve como medio de transferencia de calor y es vital para mantener una temperatura constante en las superficies internas del molde.
Entonces, cuando una inyección de plástico caliente entra al molde, el sistema de enfriamiento con agua primero evita el sobrecalentamiento mientras el material caliente toma forma. Luego, extrae el calor excedente, enfriando el molde y el plástico para que se endurezca en su forma final.
El agua “de retorno” caliente es llevada a un sistema de enfriamiento o torre de enfriamiento, que elimina el calor antes de recircularla nuevamente a través del TCU y del molde.
¿Suena bastante simple, verdad?
10 desafíos en el intercambio de calor y control de temperatura en el moldeo por inyección
El enfriamiento del molde puede ser más complicado en la práctica. Por eso, los procesadores de plásticos suelen enfrentar los siguientes desafíos relacionados con el enfriamiento.
Uso de temperaturas y tasas de enfriamiento incorrectas en el molde
Las temperaturas de procesamiento y las tasas de enfriamiento varían ampliamente entre diferentes materiales poliméricos. Por eso es importante que el agua de enfriamiento – y la superficie del molde que recibe el material caliente – estén a la temperatura “objetivo” adecuada para garantizar que la resina fluya correctamente y que las piezas se enfríen a la velocidad necesaria, endureciéndose con las propiedades deseadas.
Por ejemplo, si trabajas con materiales semicristalinos como PEEK o nylon, que requieren temperaturas de procesamiento elevadas (500–700 °F), no puedes simplemente “enfriarlos rápidamente” usando agua fría (60 °F) en el molde.
En su lugar, debes enfriarlos de forma más gradual, usando refrigerante más cálido de tu TCU para elevar la temperatura del molde (250–350 °F) y permitir que el material caliente se enfríe a un ritmo más lento, lo cual es esencial para una formación de cristales uniforme.
Flujo inadecuado
Mantener la temperatura adecuada del molde empieza con refrigerante a la temperatura correcta, pero también depende de otros factores.
El agua de enfriamiento debe fluir a la velocidad adecuada (gpm) y con suficiente presión para asegurar un nivel adecuado de turbulencia. La velocidad del flujo se basa en la cantidad de energía térmica que debe eliminarse, la tasa de transferencia de calor del agua y el tamaño del canal de refrigeración.
El cálculo del caudal es relativamente sencillo:
GPM = Q / Delta T x 500 ; Q = Energía Btu/hr ; Delta T (3°F)
Q = calor específico del material x Btu/disparo (hr)
Turbulencia insuficiente
Garantizar el nivel adecuado de turbulencia en el refrigerante es más complejo.
Un flujo turbulento hace que más agua toque la superficie del canal, maximizando la transferencia de calor. Un flujo con poca turbulencia puede volverse “laminar” o en capas, lo que significa que el agua en contacto con el canal no se renueva.
Los flujos laminares aíslan el agua del centro del canal, reduciendo su contacto con el molde y desperdiciando capacidad de enfriamiento.
Puedes calcular la turbulencia usando el número de Reynolds (Re).
El objetivo es lograr un Re entre 4,000 (umbral para flujo turbulento) y 8,000. Si no se alcanza, la solución es aumentar la presión de bombeo, aunque más allá de 8,000 no se obtiene mucho beneficio adicional y se desperdicia energía.
Problemas en el diseño del molde
Si los cálculos muestran un flujo y turbulencia correctos, pero el enfriamiento sigue siendo inadecuado, el diseño del molde puede ser deficiente.
Las causas pueden incluir: pocos canales, canales demasiado pequeños o alejados de la superficie caliente, canales obstruidos o mal distribuidos. En áreas inaccesibles, se pueden usar desviadores como “bubblers” o “baffles”, aunque aumentan la resistencia al flujo y deben usarse con precaución.
Distribuidores de flujo desequilibrados
Lo ideal es distribuir el refrigerante desde un colector de entrada balanceado hacia el molde y luego a un colector de salida. Pero si los canales varían en longitud, el flujo será desigual y los canales más cortos absorberán más refrigerante.
También, si el refrigerante se recircula dentro del molde en vez de salir, su temperatura aumenta, reduciendo su capacidad de enfriamiento. Incluso una diferencia de 10 grados puede afectar la calidad de la pieza.
Incapacidad para mantener temperaturas estables
Si el equipo antes funcionaba bien y ahora las temperaturas aumentan constantemente, tal vez has añadido más carga de enfriamiento (como otra máquina).
En ese caso, necesitarás mayor capacidad de enfriamiento para mantener el control de temperatura.
Moldes con fugas
Las fugas internas reducen la eficiencia del enfriamiento y pueden causar defectos como “marcas de agua” por vapor que desplaza el plástico y deja manchas.
La mejor solución es reparar el molde soldando y puliendo las grietas. Si no es viable, puedes aislar el circuito y usar presión negativa con un TCU especial como el modelo VacuTrac™ de Conair, que succiona el agua en lugar de empujarla.
Equipos fuera de fase
En plantas con energía trifásica, errores de cableado pueden causar que bombas de refrigerante funcionen en reversa, afectando el enfriamiento. Si surge un problema repentino, verifica el cableado eléctrico.
Problemas de incrustaciones por agua
El agua es un medio barato y muy eficaz para la transferencia de calor. Sin embargo, el agua limpia común está cargada de minerales como hierro, azufre y calcio, los cuales son muy atraídos por superficies cálidas, como el interior de los canales del molde, las áreas de flujo transicional alrededor de los bubblers o deflectores, o incluso el elemento calefactor de una unidad de control de temperatura (TCU).
Cuando los minerales se “adhieren” a estas superficies, forman depósitos llamados “incrustaciones”. Y, si se permite que las incrustaciones se acumulen, pueden actuar como un aislante que reduce la transferencia de calor, por lo que, con el tiempo, los moldes no se enfrían tan rápido y la eficiencia de equipos de transferencia de calor como las TCUs o los enfriadores se reduce gradualmente.
Los problemas de incrustación se reducen típicamente cuando un sistema de refrigeración tiene un circuito “cerrado”, ya que estos circuitos no pierden ni reemplazan mucha agua y, por lo tanto, el contenido mineral no cambia mucho con el tiempo. Sin embargo, el riesgo de acumulación de incrustaciones aumenta significativamente en los circuitos de refrigeración “abiertos” que dependen de torres de enfriamiento por evaporación.
Si bien las torres de enfriamiento son una forma muy eficiente y económica de producir agua fría, el proceso de evaporación da como resultado una pérdida continua de agua pura (como vapor) que debe ser reemplazada con agua común rica en minerales, por lo que la concentración de minerales en el agua circulante aumenta con cada ciclo de evaporación/reemplazo. Así, los requisitos de mantenimiento son mayores.
Existen varias formas de tratar los problemas de flujo del refrigerante que ocurren debido a la incrustación:
- La mayoría de los procesadores tratan la eliminación de incrustaciones como una actividad de mantenimiento preventivo. Periódicamente, hacen circular agentes químicos de desincrustación a través de los sistemas de refrigeración, equipos auxiliares y moldes para reducir la acumulación de incrustaciones.
- Algunas organizaciones utilizan agua desmineralizada en sus circuitos de refrigeración. Aunque esto puede reducir drásticamente los problemas de mantenimiento del molde y de refrigeración relacionados con las incrustaciones, este enfoque es más complejo y más costoso de gestionar, especialmente en operaciones grandes.
- En mi experiencia, las mejores organizaciones también prueban los flujos del refrigerante del molde a intervalos regulares, conectando los moldes a herramientas de bombeo/medición de flujo cuando los moldes entran y salen de servicio. Al comparar los flujos del refrigerante antes y después del uso del molde, estas pruebas pueden indicar la necesidad de desincrustación/desmineralización química antes del uso futuro del molde. Este enfoque elimina la especulación y mantiene los moldes y la producción funcionando en niveles predecibles y óptimos.
Otros problemas de calidad del agua
Desafortunadamente, las incrustaciones no son el único problema de calidad del agua que enfrentan los procesadores. Cualquier sistema de agua—ya sea de circuito abierto o cerrado—puede ser vulnerable a otros problemas de calidad del agua.
Por lo tanto, revisa periódicamente tu sistema de refrigeración con agua para asegurarte de que mantenga el color/claridad adecuados y que esté libre de olores, acumulaciones de incrustaciones o contenido bacteriano significativo.
También es muy recomendable realizar inspecciones periódicas de tus sistemas de refrigeración, incluyendo pruebas de flujo periódicas para detectar cualquier reducción en las tasas de flujo que pueda ser causada por incrustaciones, problemas con bombas o controles de flujo, o problemas en el suministro de agua, ya sea en sistemas de refrigeración a nivel planta o en aquellos que sirven a máquinas individuales.
