Procesamiento para plásticos
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Procesamiento importantes para plásticos
Los de mayor relevancia para la industria automotriz se analizan en esta pagina. Está claro que el diseño de componentes plásticos es imposible sin una sólida comprensión de lo que es factible para cada clase de material y cada proceso. Es necesario conocer cuáles son las limitaciones en términos de tamaño, forma, costo y apariencia final. Los polímeros infusibles no se pueden producir mediante estas técnicas. Por tanto, el PTFE sin modificar se utiliza con frecuencia como revestimiento sinterizado o como aditivo en composiciones especiales para cojinetes. La poliimida (PI) es aún más difícil de procesar y normalmente se suministra directamente del fabricante del polímero en forma de piezas moldeadas sinterizadas con precisión.
Moldeo por inyección
El moldeo por inyección es el proceso principal para la fabricación de componentes de precisión a partir de plásticos en grandes cantidades. Utilizado principalmente para termoplásticos, implica fundir o plastificar el material granulado en un barril calentado con un tornillo alternativo y luego inyectarlo a alta presión en un molde cerrado. La secuencia operativa de plastificación, inyección, enfriamiento y expulsión se controla en un ciclo de tiempo muy preciso. Las modernas máquinas de moldeo por inyección son de construcción masiva y extremadamente sofisticadas; un taller de moldeo con una amplia capacidad en términos de tamaño de los componentes es necesariamente una inversión costosa. El diseñador automotriz se preocupará por los costos involucrados con un componente específico. Es probable que las herramientas de moldeo estén hechas de acero endurecido con dimensiones extremadamente precisas e involucren a diseñadores altamente calificados. Por lo tanto, existe un componente de costo "inicial" considerable en cualquier proyecto de moldeo por inyección. Se necesitan cálculos de expertos para relacionar los factores de las cifras de producción anual, la vida útil del modelo, la tasa de interrupción, etc., con el número de herramientas necesarias o (en el caso de componentes pequeños) el número de cavidades de molde por herramienta. Una moldura grande e intrincada como un panel de instrumentos presenta un tipo diferente de problema de diseño. Organizar el diseño de la herramienta para obtener el patrón de flujo óptimo requiere el uso de las mejores técnicas modernas de diseño de herramientas. Las principales ventajas que justifican todos estos problemas y gastos en muchos casos son las siguientes:
- Libertad de diseño, que permite amplias variaciones de forma
- Consolidación de componentes, lo que permite reducir drásticamente el número de piezas y operaciones de montaje
- Menores costos de piezas por pieza en producción en volumen
La naturaleza del moldeo por inyección convencional significa que es imposible producir formas cerradas o con cortes excesivos. Se pueden moldear por inyección formas extremadamente complejas incorporando núcleos deslizantes en la herramienta, pero esto implicará costos más altos y tiempos de ciclo más largos. A menudo existe una "compensación entre mayores costos de herramientas y mayores costos directos de moldeo". El alcance del proceso de moldeo por inyección se ha ampliado en los últimos años mediante algunas elaboraciones muy ingeniosas:
Moldeo multicolor. Este concepto fue ideado para la industria automotriz, específicamente para grupos de lentes de luz trasera en PMMA (polimetilmetacrilato). Se trata de un ensamblaje de molde rotatorio, con los diferentes colores que se inyectan secuencialmente desde cilindros separados a medida que gira el molde. Moldura de espuma estructural. En su forma más simple, incorpora un agente de soplado químico en los gránulos de polvo de moldeo, lo que da como resultado una estructura de espuma rígida y ligera con una relación rigidez / peso muy alta. Las limitaciones del proceso son un acabado superficial deficiente y un tiempo de ciclo prolongado. La mejora de alta presión de este método proporciona una piel sólida con un buen acabado superficial.
Sistemas de inyección de gas. La esencia de estos sistemas es que el gas se localiza, más o menos en la mitad de la sección de la moldura, y no se dispersa por todo el material. Se mantienen la alta relación de rigidez y el buen acabado de la superficie, con la potencial ventaja funcional de una cavidad central.
Moldura sandwich. Esta es una forma de combinar las mejores características de dos materiales inyectándolos secuencialmente a través del mismo bebedero, de modo que uno se convierta en la piel de la moldura y el otro en el núcleo. El material de la piel puede proporcionar una superficie de alto brillo o resistente a la abrasión, por ejemplo, mientras que el núcleo proporciona alta rigidez o bajo costo, quizás como polímero reciclado. El proceso original, se centró en aplicaciones que utilizaban un núcleo de espuma para maximizar las relaciones de peso rígido.
Moldeo por inyección de núcleo fusible. Esta es una ruta para producir objetos huecos con una configuración compleja. Es un tipo de proceso de "cera perdida", en el que el componente se forma alrededor de un núcleo de metal de bajo punto de fusión (p. Ej., Aleaciones de bismuto y estaño que se funden por debajo de los 15°C). El núcleo se inserta en una herramienta convencional y el material plástico se inyecta a su alrededor. Luego, el núcleo se funde mediante calentamiento por inducción y luego se drena, listo para ser refundido en nuevos núcleos. Se ha dedicado una contribución considerable de la ingeniería de producción a idear formas económicas de recuperar esta aleación y refundirla. El metal es caro y los núcleos pueden ser extremadamente pesados, lo que requiere técnicas especiales para manipularlos y ubicarlos con precisión entre las dos mitades de la herramienta de inyección. Las aplicaciones más conocidas son los colectores de admisión de automóviles. Después de un período prolongado de desarrollo, ahora se han establecido tanto en termoendurecibles (BMC) como en termoplásticos (nailon 66 reforzado con vidrio).
Termoendurecibles de moldeo por inyección. En principio, el proceso es el mismo que para el moldeado de termoplásticos. La diferencia es la necesidad vital de controlar con mucha precisión las variables de tiempo y temperatura durante la etapa de plastificación, para evitar un curado prematuro. Los fenólicos de ingeniería están ahora bien establecidos para el moldeo por inyección de tolerancia estrecha de componentes debajo del capó, como carcasas de bombas de agua. BMC a base de poliéster ahora ha logrado un uso de gran volumen y alta visibilidad en los portones traseros.
Extrusión
A diferencia del moldeo por inyección y la mayoría de las otras operaciones, la extrusión es un proceso continuo. Los gránulos termoplásticos se plastifican y funden en un barril calentado y se transportan hacia adelante por medio de un tornillo a través de una matriz perfilada para producir una sección continua. Los productos de automoción son bien conocidos:
Revestimiento de cables; en la industria del motor, normalmente en PVC.
Monofilamentos, en aplicaciones antiguas establecidas como el relleno de nailon brmh, y nuevas como filamentos de fibra óptica acrílica.
Película, en usos básicos como película protectora de LDPE en la sala de exposición, y aplicaciones sofisticadas como el PET orientado biaxialmente Fdm utilizado en pantallas de tablero de instrumentos
Tubería, como nailon 12 en líneas de combustible y aire presurizado
Perfiles perfilados, como p. Ej. Banda de protección lateral de PVC perfilada
Moldeo por soplado
El moldeo por soplado es el método más simple y eficaz de fabricar artículos de plástico huecos. Hay tres etapas principales en la operación: la masa fundida se extruye continuamente en un acumulador, las preformas tubulares se expulsan repetidamente hacia abajo desde el acumulador mediante extrusión del pistón hacia la herramienta de soplado abierta, luego se cierra la herramienta y se infla la preforma. Es necesario fundir polímeros muy viscosos para garantizar la estabilidad de la forma del "parisón" tubular entre su salida de la matriz y la etapa de soplado. No es un proceso de alta presión y las herramientas son relativamente baratas. Inevitablemente, la calidad de la superficie tiende a ser inferior a la del moldeo por inyección, y la superficie interna no es moldeada directamente por la herramienta. El moldeo por soplado no se limita a las piezas huecas. Las formas de "capa gemela" se pueden soplar como una sola entidad y luego dividirse; esta puede ser una solución muy rentable en comparación con el moldeo por inyección. El moldeo por soplado ha madurado con la ayuda de la tecnología informática moderna. Ahora es posible soplar formas altamente asimétricas sin una variación inaceptable en el grosor de la pared mediante un control de parisón computarizado, y ubicar insertos de plástico o metal con precisión en la herramienta. El moldeo por soplado multicapa es ahora una realidad, que ofrece la posibilidad de combinar los beneficios de dos materiales diferentes. Los tanques de expansión, las secciones del panel de instrumentos y los conductos del calentador son aplicaciones de moldeo por soplado establecidas desde hace mucho tiempo (en PP), pero con mucho la aplicación más importante es el tanque de combustible, en formas de HDPE de alto peso molecular.
Formación por vacío y presión
Las técnicas de formación por vacío y presión se utilizan para dar forma a una lámina termoplástica alrededor de un formador. La formación a presión es un desarrollo más reciente y, por definición, puede utilizar una presión diferencial mayor; por tanto, puede reproducir detalles más precisos. Son procesos de costo relativamente bajo, tanto en términos de herramientas como de operación y, en consecuencia, son útiles para aplicaciones de ejecución limitada y también para prototipos y pruebas piloto para proyectos de moldeo por inyección de alta inversión. Su uso principal en la industria del motor es para superficies de revestimiento texturizadas en el habitáculo.
Formación de SMC
Los 'plásticos reforzados con vidrio' (GRP) originales de la década de 1950 eran resinas líquidas, epoxi o poliéster insaturado, fabricadas para impregnar un sistema de fibras de vidrio (generalmente una estera aleatoria de fibras de vidrio E) antes de curarse. El proceso básico de colocación manual es extremadamente laborioso y solo proporciona una formación precisa de la superficie exterior; su gran ventaja son las herramientas de muy bajo costo, por lo que es ideal para tiradas de producción muy cortas. Se han ideado varios métodos para mejorar la calidad de la superficie mediante presión adicional y para acelerar el proceso, pero la contribución más importante a la industria del automóvil ha sido, con mucho, el desarrollo de SMC. SMC está muy bien establecido en la industria. El SMC se suministra como láminas de fibra de vidrio impregnadas con resina de poliéster, que incorporan un catalizador y normalmente un relleno inerte añadido. Se moldea entre moldes de metal combinados calentados, en una prensa (¡una técnica tranquilizadora y familiar para el ingeniero automotriz!). Las tasas de producción, aunque no son comparables con el prensado de acero o el moldeo por inyección en su mejor momento, son aceptablemente altas. Aunque la mayoría de las formulaciones de SMC se basan en el poliéster tradicional y la estera de fibra aleatoria, existen muchas variantes disponibles en la actualidad; algunos se basan en éster de vinilo y otros incluyen una pequeña proporción de termoplásticos. Las formulaciones diseñadas para aplicaciones de alta rigidez, como las vigas de parachoques, pueden contener alrededor del 60% de fibras de vidrio, la mayoría de ellas unidireccionales. Las primeras aplicaciones importantes de SMC en Europa fueron los parachoques y los paneles laterales. El estatus de SMC como material de panel de la carrocería mejoró enormemente con su éxito en las cabinas de camiones a principios de la década de 1970. La cabina ERF, la primera cabina de camión totalmente de plástico del mundo, estaba compuesta por 17 paneles SMC separados atornillados a un marco de acero. Los beneficios fueron una reducción de dos tercios en los costos de herramientas y una mayor flexibilidad de diseño. Este ha sido un método ampliamente explotado desde entonces. Las fórmulas y técnicas modernas permiten la producción de superficies de alta definición y contornos intensos.
Formación de termoplásticos de estera de vidrio
Los termoplásticos de estera de vidrio (GMT) son materiales con características bastante diferentes, compuestos por una matriz termoplástica reforzada con una estera de vidrio. Hay dos procesos de producción distintos para GMT: uno utiliza extrusión por fusión para impregnar una estera de vidrio preformada, y el otro se basa en la fabricación de papel, comenzando con una suspensión de polímero en polvo y fibras de vidrio picadas, luego presionando, secando y consolidando. Se han utilizado varios plásticos de ingeniería como matriz en ambos sistemas GMT; sin embargo, el polipropileno versátil y de precio modesto es, con mucho, el más popular. Ambos tipos de GMT se fabrican mediante un proceso conocido como "estampado en caliente". Esto es similar al moldeo en láminas, pero utiliza espacios en blanco precalentados prensados en moldes en frío, con un tiempo de ciclo de menos de un minuto, comparable al moldeo por inyección. (SMC utiliza herramientas de prensado calentado para moldear los espacios en frío, con tiempos de ciclo bastante más largos). Además de un ciclo más rápido, las ventajas de GMT en comparación con SMC son la vida útil indefinida de los espacios en blanco y una mejor resistencia al impacto en el producto. La limitación más seria de GMT es la imposibilidad de lograr un acabado de superficie de Clase A, que excluye el uso de esteras de vidrio de PP en los paneles de la carrocería. Se han propuesto sistemas de esterillas de vidrio a base de PET y PBT para paneles de carrocería exteriores, con una capa adicional de película sin vidrio para permitir que se logre un acabado de Clase A en todo el rango de temperaturas de la capa superior. Las aplicaciones comerciales específicas aún no habían aparecido en el momento de escribir este artículo. Desde principios de la década de 1980 se han desarrollado numerosas aplicaciones, como los paneles inferiores del motor, las bandejas de batería, los paneles de soporte del radiador y los respaldos de los asientos. Todas estas son partes "invisibles" sin pintar, con PP como matriz polimérica. La fabricación GMT también se presta al laminado con películas o revestimientos textiles.
Moldeo por inyección por reacción
El moldeo por inyección por reacción (RIM) implica reunir dos monómeros líquidos en un molde y hacer que se polimericen para darle forma. El proceso se ha desarrollado en torno a los poliuretanos, en sus diversas formas. Han surgido sistemas RIM con otros monómeros líquidos, pero ninguno se ha acercado al éxito de la familia PUR. Los productos RIM se diferencian de otros plásticos en que no se suministran como productos básicos en sacos o contenedores a granel, y los artículos terminados se crean directamente a partir de los monómeros. Aproximadamente el 90% del mercado mundial total de PUR está en espuma. La espuma resulta de la formación de burbujas de gas en el proceso de polimerización: originalmente eran todos CFC, pero los productores se están moviendo rápidamente hacia agentes de expansión sin cloro. Hay tres tipos distintos de espuma PUR:
- Espumas flexibles de baja densidad. Se trata de espumas de celda abierta, excelentes como material de amortiguación elástico y de uso universal en asientos de automóviles
- Las variantes semirrígidas tienen buenas propiedades de absorción de impactos y se utilizan mucho en el acabado de automóviles y en el relleno de parachoques
- PUR semirrígido es el material de respaldo que absorbe los golpes para la fascia revestida de ABS/PVC en la fascia
Espumas rígidas de baja densidad
Se trata de polímeros altamente reticulados con una estructura de celda cerrada, que no son en absoluto flexibles. Excelentes materiales aislantes, se utilizan ampliamente en refrigeración, pero muy poco en la industria automotriz. Espumas flexibles de alta densidad. Estos tienen un núcleo celular espumado, pero con una piel relativamente sólida. Son cada vez más importantes en la industria automotriz para molduras de revestimiento integral. Los elastómeros sólidos de PUR son materiales de ingeniería útiles, como juntas, casquillos, polainas, etc., con una extraordinaria resistencia a la abrasión. Las partes exteriores de la carrocería, como las cubiertas y las alas de los parachoques, son en realidad elastómeros microcelulares, con espuma de muy alta densidad. Las presiones generadas durante la reacción nunca superan el 5% de las experimentadas en el moldeo por inyección y, por lo tanto, los costos del equipo general y las herramientas individuales para RIM son mucho más bajos. Además, la producción de prototipos es mucho más barata y rápida. El moldeo por inyección convencional disfruta de economías de escala en comparación con RIM, debido a sus tasas de producción más altas, particularmente con componentes más pequeños. Sin embargo, la diferencia en el umbral de viabilidad entre RIM y el moldeo por inyección convencional está disminuyendo a medida que mejora la tecnología RIM y evolucionan variantes de PUR más reactivas como la poliurea. Flexible PUR se adapta bien a piezas de automóviles resistentes y deformables, como cubiertas de parachoques y alas. RIM reforzado (R-RIM) se desarrolló para abarcar aplicaciones más rígidas, sin sacrificar la valiosa resistencia de PUR. Esto implica incorporar fibras de vidrio muy cortas (molidas con martillo) en uno de los monómeros, hasta una concentración del 15% en el polímero final. El cambio en el perfil de la propiedad es suficiente para asegurar numerosas aplicaciones en automóviles especiales de pequeño volumen y los extremos delantero y trasero y las alas. Un desarrollo reciente que es más espectacular en capacidad de rendimiento y aplicación potencial es el moldeo por inyección de reacción estructural (S-RIM). Esto implica colocar una preforma, generalmente de esterilla de vidrio, en el molde y luego inyectar los líquidos monoméricos a presión. Es potencialmente un proceso de alta velocidad: las limitaciones (que ahora se están abordando ampliamente) están en las técnicas para formar y colocar las fibras de refuerzo y las preformas. Las primeras aplicaciones fueron en paneles rígidos para modelos de volumen pequeño y mediano, como el panel del cuarto trasero. S-RIM ahora está comenzando a aparecer en partes más críticas y de mayor volumen, como carcasas de asientos y armaduras del panel de instrumentos. En las estructuras reforzadas unidireccionales se afirma una mayor resistencia (en comparación con SMC y GMT), porque las fibras pueden ubicarse con mayor precisión.
Moldeo por transferencia de resina
El moldeo por transferencia de resina (RTM) se originó en Francia a principios de la década de 1960, para fabricabar paneles exteriores para vehículos especiales de pequeñas series. Al igual que S-RIM, el proceso consiste en ubicar el refuerzo de fibra en un molde y luego polimerizarlo a su alrededor para producir el componente conformado terminado. En lugar de hacer reaccionar dos líquidos diferentes, RTM utiliza un polímero termoendurecible parcialmente reaccionado pero todavía líquido. El RTM se puede utilizar para una amplia gama de tipos químicos y, en consecuencia, una gama más amplia de efectos finales que S-RIM, pero inevitablemente la viscosidad de la matriz cuando se inyecta es más alta, la penetración es más lenta y el tiempo del ciclo es más largo. La demarcación entre RTM y S-RIM se difumina a medida que se realizan nuevos trabajos sobre la química de las resinas y la tecnología del refuerzo, produciendo preformas cada vez más sofisticadas. La resina de poliéster es la matriz más utilizada; Uno de los ejemplos más exitosos de su uso se encuentra en los paneles laterales. RTM se ha utilizado recientemente para reemplazar el aluminio en los paneles de la carrocería de los autocares. Se utiliza un sistema presurizado, con el poliéster reforzado respaldado con espuma de poliuretano ignífuga y tela. Se han desarrollado varias resinas nuevas que ofrecen un mejor rendimiento y un curado más rápido.
Coexistiendo con metales
A menudo, en el mundo real, la mejor solución a un problema de diseño implicará que los plásticos coexistan con los metales. El conocimiento de los problemas de dicha convivencia puede ser vital para el diseño de componentes para subconjuntos:
Expansión diferencial. Ignorar esto puede tener graves consecuencias. Una solución, cuando otras necesidades lo permiten, es utilizar termoestables no reforzados, con una expansión extremadamente baja. Los primeros intentos en los EE. UU. De utilizar nailon reforzado con vidrio para cubiertas de balancines destacaron los problemas: el compuesto no solo se expandió más que el metal, sino que su expansión aumentó con la temperatura y, además, varió a lo largo de la moldura, siendo diferente alrededor del perno moldeado agujeros, donde la orientación de la fibra era diferente. Inevitablemente, se produjeron fugas de aceite entre los pernos. Se han diseñado exitosas tapas de balancines, utilizando composites de menor expansión basados en poliéster insaturado (como DMC o SMC) y en nailon semiaromático. Sin embargo, el factor individual más importante es el rediseño de las juntas para hacer frente a la expansión diferencial. El éxito del tanque del radiador de nailon reforzado con vidrio también se debe en gran medida a la junta de caucho sintético de generosas proporciones que une el radiador de aluminio con la cubierta compuesta y absorbe los cambios dimensionales.
Anisotropía. Aparte del nuevo diseño y materiales de la junta, el aspecto importante es eliminar la tendencia a la distorsión. Esto se puede hacer haciendo la forma lo más simétrica posible, minimizando así la orientación, o (en molduras con una relación de aspecto alta) induciendo deliberadamente una orientación alta pero uniforme mediante una compuerta en un extremo. El objetivo debe ser evitar una situación en la que la orientación pueda variar con las condiciones de procesamiento.
Inserciones metálicas. Este es un buen medio para superar algunas de las deficiencias de los plásticos. Los insertos de metal son útiles de muchas maneras:
(1) para reducir la expansión térmica general de un componente
(2) para aumentar la rigidez
(3) para facilitar el ensamblaje repetido
(4) para aumentar la fuerza de extracción del autorroscante tornillos
(5) para proporcionar puntos de fijación para subconjuntos
(6) en aplicaciones de cojinetes para proporcionar valores de PV más altos y una operación de temperatura más alta
El uso de robots para ubicar insertos en el molde o la prensa ha hecho que la operación sea mucho más rápida y confiable. Los insertos se utilizan ahora ampliamente en el procesamiento de SMC, GMT, moldeo por soplado y rotatorio, así como en moldeo por inyección. Partes móviles. Hay muchos sistemas de engranajes y cojinetes en los que una combinación de piezas de metal y plástico da como resultado un mejor ensamblaje del que cualquiera de ellos podría lograr por sí solo. Los principales beneficios de los plásticos son un mantenimiento reducido, un funcionamiento más silencioso y (en sistemas de baja carga como limpiaparabrisas y velocímetros) una vida más larga. Los engranajes de plástico para la caja de cambios automotriz pueden ser poco probables, pero los beneficios de usar nailon reforzado y PES para las jaulas de los rodamientos son ampliamente reconocidos. Ahora se encuentran disponibles algunos materiales de cojinetes de plástico compuestos muy sofisticados, que utilizan lubricantes internos y de migración de superficie en matrices resistentes reforzadas con fibras; estos a menudo superan en rendimiento a las composiciones de cojinetes de metal más caras.
Unión de plásticos
La eficacia de los plásticos y los compuestos a menudo depende de manera crítica de la tecnología de unión. En la industria automotriz, la pregunta clave no es solo si la junta es consistente, sino si hacerla es compatible con una operación de ensamblaje de alta velocidad. Siempre se debe buscar el asesoramiento de especialistas en esta área, porque la tecnología está cambiando rápidamente y puede ser necesario hacer comparaciones entre sistemas bastante diferentes. La principal fuente de información es The Welding Institute (Abington, Cambridge, Reino Unido), que tiene experiencia en adhesivos y técnicas de soldadura. El rendimiento de los adhesivos altamente sofisticados de hoy en día puede ser muy específico, no solo en términos de los materiales que se unirán, sino también en relación con el diseño de una junta y los requisitos previstos. Los diseñadores deben ser conscientes de los problemas y las oportunidades que se presentan al unir plásticos. Los puntos peculiares de los plásticos se resumen aquí: En este capítulo se han destacado los problemas potenciales del uso de plásticos. Los más comunes son el resultado de la fluencia y la relajación, y la expansión térmica diferencial entre diferentes materiales.