Diseño de moldes de inyección

1. INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL.
Diseño de moldes de inyección de plástico
con Ingeniería concurrente.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION.
TESIS.
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRO EN CIENCIA CON ESPECIALIDAD EN
INGENIERIA MECANICA.
PRESENTA:
ING. ENRIQUE MAYA ORTEGA.
DIRECTORA DE TESIS:
M. EN C. ALLA KABASTSKAIA IVANOVNA.
MEXICO, D.F
I

2. II

3. INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
SECRETARIA DE INVESTIGACION Y POSGRADO
CARTA CESION DE DERECHOS
En la Ciudad de México, D. F., el día 05 del mes marzo del año 2007
el(la) que suscribe ENRIQUE MAYA ORTEGA alumno (a) del Programa de
MAESTRIA EN INGENIERIA MECANICA
con número de registro B021502 adscrito a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la
E.S.I.M.E. Unidad Zacatenco, manifiesta que es autor(a) intelectual del presente Trabajo de Tesis
bajo la dirección del M. EN C. ALLA KABATSKAIA IVANOVNA y cede los derechos del
trabajo intitulado: DISEÑO DE MOLDES DE INYECCION DE PLASTICOS CON INGENIERIA
CONCURRENTE
al
Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines Académicos y de Investigación.
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, graficas o datos del trabajo
sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la
siguiente dirección: enrimaya@hotmail.com
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del mismo.
Nombre y Firma
III

4. Diseño de moldes de inyección con
ingeniería concurrente.
Lista de figuras. V
Lista de tablas. VI
Lista de Nomogramas. VII
Glosario de términos. VIII
Resumen. XII
Abstract. XII
Objetivos. XIII
Justificación. XIV
Introducción. XV
Capítulo I.- Generalidades. 1
1.1 Estado del arte. 2
1.2 Historia del plástico. 3
1.3 Aplicaciones del plástico. 3
1.4 Procesos de manufactura del plástico y máquinas utilizadas. 4
1.5 La máquina de inyección. 6
1.5.1 Tipos de máquinas de inyección. 6
1.5.2 Descripción de la máquina de inyección. 6
1.5.3 Características principales de una máquina de inyección. 7
Capítulo II.- Proceso de moldeo del plástico. 9
2.1 Clasificación de los plásticos. 10
2.2 Tecnología de moldeo de materiales plásticos. 11
2.3 Moldeo por inyección de plástico. 11
2.3.1 El ciclo de inyección. 11
2.3.2 Factores que influyen en el proceso de moldeo. 12
2.3.2.1 Temperatura. 13
2.3.2.1.1 Viscosidad del material. 15
2.3.2.2 Presión. 15
2.3.2.3 Velocidades y tiempo. 16
2.3.2.3.1 Velocidad de rotación del husillo. 16
2.3.2.3.2 Tiempo de enfriamiento para piezas
termoplásticas.
16
2.3.2.3.3 Tiempo de enfriamiento para piezas termofijas. 17
2.4 Moldeo por inyección de plástico. 17
2.4.1 La función del molde de inyección. 17
2.4.2 Clasificación de los moldes. 17
2.4.3 Descripción de los moldes. 18
2.5 Situación actual de la fabricación de moldes en México. 18
2.5.1 Situación económica en la fabricación de moldes en México. 19
I

5. 2.5.2 Situación tecnológica en la fabricación de moldes en México. 19
Capítulo III.- La ingeniería concurrente en el diseño de piezas de plástico. 21
3.1 Concepto de ingeniería concurrente. 22
3.2 Objetivos de la ingeniería concurrente. 23
3.3 Mecanismos de la ingeniería concurrente 24
3.4 Las comunicaciones en un entorno de ingeniería concurrente 24
3.5 Ingeniería concurrente y los sistemas CAD/CAM/CAE. 24
3.6 Aplicación de la ingeniería concurrente en el diseño de moldes. 25
3.7 El intercambio de información durante la etapa de diseño. 29
Capítulo IV.- Aplicación de la ingeniería concurrente en el proceso de diseño de un
molde de inyección de plástico. 31
4.1 Información de la pieza. 32
4.2 Requerimientos del transformador. 32
4.2.1 Información de transformación. 33
4.3 Diseño del molde. 33
4.3.1 Estudio previo del molde 33
4.3.1.1 Verificación de la geometría de la pieza. 34
4.3.1.2 Realización del estudio de viabilidad de fabricación del
molde.
35
4.3.1.3 Generación de una oferta para su diseño y construcción. 35
4.3.2 Anteproyecto del molde. 36
4.3.2.1 Selección del tipo de molde. 37
4.3.2.2 Determinación de la cantidad de cavidades del molde. 38
4.3.2.2.1 Área proyectada y fuerza de cierre. 39
4.3.2.2.2 Cálculo del peso del producto. 41
4.3.2.2.3 Cálculo de la capacidad de plastificación. 42
4.3.2.2.4 Cálculo de la capacidad de inyección. 42
4.3.2.3 Sistema de alimentación (llenado). 43
4.3.2.3.1 Funciones y componentes. 43
4.3.2.3.2 Diseño de la sección de la boquilla. 44
4.3.2.3.3 Configuración de los canales de alimentación. 47
4.3.2.3.3.1 Análisis reológico. 49
4.3.2.3.4 Configuración de las entradas o canales de
estrangulamiento.
52
4.3.2.3.5 Disposición de las entradas en la pieza. 53
4.3.2.3.6 Cantidad de entradas. 54
4.3.2.3.7 Salida de aire. 54
4.3.3 Sistema de expulsión. 55
4.3.3.1 Desmoldeo de piezas obtenidas por inyección. 55
4.3.3.2 Configuración de las varillas expulsoras. 55
4.3.3.3 Contracción de la pieza. 57
4.3.4 Enfriamiento y tipo de enfriamiento. 58
4.3.4.1 Cálculo del tiempo de enfriamiento. 58
4.3.4.2 Determinación del calor que debe disiparse por unidad de
tiempo.
60
II

6. 4.3.4.3 Disposición del sistema de enfriamiento en el molde. 61
4.3.4.4 Cálculo del tiempo total de un ciclo de inyección. 63
4.3.5 Proyecto del molde. 63
Capítulo V.- Resultados y discusiones. 64
5.1 Información básica de entrada. 65
5.1.1 Primera etapa “Identificación de la necesidad de la pieza de
plástico”.
65
5.1.2 Segunda etapa “Solicitud de diseño de la pieza”. 65
5.1.3 Tercera etapa “Información de producción”. 65
5.2 Diseño de molde. 65
5.2.1 Estudio previo del molde. 65
5.2.1.1 Cuarta etapa “Solicitud de estudio previo y oferta de diseño”. 65
5.2.2 Anteproyecto del molde. 66
5.2.2.1 Quinta etapa “Aplicación de Software para el estudio previo y
oferta del molde”.
66
5.2.2.2 Sexta etapa “Interpretación y aplicación de los resultados del
programa “Cálculos de diseño en moldes”.
66
5.3 Proyecto del molde. 67
5.3.1. Séptima etapa “Realización del proyecto del molde con ayuda de
sistemas CAD/CAM/CAE ”.
67
5.4 Ejemplo de aplicación. 67
5.4.1 Información básica de entrada. 67
5.4.1.1 Primera etapa “Identificación de la necesidad de la pieza de
plástico”.
67
5.4.1.2 Segunda Etapa “Solicitud de diseño de la pieza.” 67
5.4.1.3 Tercera etapa “información de producción”. 68
5.4.2 Diseño de molde. 70
5.4.2.1 Estudio previo del molde. 70
5.4.2.2.1 Cuarta etapa “Estudio previo del molde y oferta de
diseño”.
70
5.4.2.1.1.1 Verificación de la geometría de la pieza. 70
5.4.2.2 Realización del estudio de viabilidad de fabricación
del molde.
73
5.4.2.2.1 Selección del tipo de molde. 73
5.4.3 Anteproyecto del molde. 74
5.4.3.1 Quinta etapa “Aplicación de Software para el estudio previo
y oferta del molde”.
74
5.4.3.2 Sexta etapa “Interpretación y aplicación de los resultados
del programa “Cálculos de diseño en moldes””.
85
5.4.3.2.1 Determinación de la cantidad de cavidades del
molde.
85
5.4.3.2.2 Área proyectada y fuerza de cierre. 85
5.4.3.2.3 Cálculo de la capacidad de inyección. 87
5.4.3.2.4 Cálculo de la capacidad de plastificación. 87
5.4.3.2.5 Sistema de alimentación (llenado). 87
5.4.3.2.5.1 Diseño de la sección de la boquilla. 87
5.4.3.2.5.2 Salida de aire. 89
III

7. 5.4.3.4.6 Sistema de expulsión. 89
5.4.3.4.6.1 Desmoldeo de piezas obtenidas por
inyección.
89
5.4.3.4.6.2 Configuración de las varillas expulsoras. 89
5.4.3.4.6.3 Contracción de la pieza. 89
5.4.3.4.7 Enfriamiento y tipo de enfriamiento. 89
5.4.3.4.7.1 Cálculo del tiempo de enfriamiento. 90
5.4.3.4.8 Cálculo del tiempo de inyección. 90
5.4.3.4.9 Cálculo del tiempo del ciclo de inyección. 90
5.5 Proyecto del molde. 90
5.5.1 Séptima etapa “Realización del proyecto del molde con ayuda de
sistemas CAD/CAM/CAE ”.
90
5.6 Planos del molde 93
Conclusiones y recomendaciones. 107
Referencias 110
IV

8. Lista de figuras.
Titulo. Pagina.
Figura 1.1 Juego de pelota. 3
Figura 1.2 Productos fabricados con plástico. 3
Figura 1.3 Máquina de compresión. 4
Figura 1.4 Máquinas de inyección. 5
Figura 1.5 Máquina de extrusión. 5
Figura 1.6 Partes de una máquina de inyección. 8
Figura 2.1 Inyección del material. 11
Figura 2.2 Aplicación de la presión de sostenimiento. 12
Figura 2.3 Enfriamiento y extracción de la pieza. 12
Figura 2.4 Ciclo de operación de termoplásticos. 13
Figura 2.5 Ciclo de operación de termofijos. 14
Figura 2.6 Diagrama de presión de inyección vs. tiempo. 16
Figura 2.7 Partes de un molde de inyección. 18
Figura 3.1 Etapas de realización de cambios. 23
Figura 3.2 Cadena productiva. 26
Figura 3.3 Información fundamental general. 27
Figura 3.4 Información general. 28
Figura 3.5 Actividad diseñar el molde. 28
Figura 4.1 Concentración de esfuerzos. 34
Figura 4.2 Curvas de costos para cavidades. 35
Figura 4.3 Distribución de áreas para el diseño de cavidades. 40
Figura 4.4 Fuerzas que actúan en el proceso de inyección a presión. 40
Figura 4.5 Características de la pieza a fabricar. 42
Figura 4.6 Sistema de llenado. 43
Figura 4.7 Tipos de boquilla. 44
Figura 4.8 Configuración del bebedero y la boquilla. 45
Figura 4.9 Mazarota cónica o de barra. 47
Figura 4.10 Perfiles de los canales de alimentación. 48
Figura 4.11 Dimensiones principales del canal parabólico y trapezoidal. 48
Figura 4.12 Configuración de las entradas o canales de estrangulamiento. 49
Figura 4.13 Perfil de velocidades en la sección del molde. 50
Figura 4.14 Curvas de velocidad de flujo, temperatura y gradiente de velocidad. 50
Figura 4.15 Porcentaje de capa fría en función de la longitud de flujo recorrido. 51
Figura 4.16 Canal de estrangulamiento rectangular con canal de llenado. 53
Figura 4.17 Dimensionado del canal de estrangulamiento. 53
Figura 4.18 Representación esquemática de varias varillas de expulsión. 56
Figura 4.19 Entalpías de las masas termo plásticas. 61
Figura 4.20 Disposición en espiral de los canales de refrigeración en piezas
circulares.
62
Figura 4.21 Disposición rectilínea de los canales de refrigeración en piezas
rectangulares.
63
Figura 5.1 Pieza requerida. 68
Figura 5.2 Dimensiones de la pieza. 68
Figura 5.3 Determinación del peso de la pieza en Rhinomold V3. 69
Figura 5.4 Detalle de las dimensiones de la pieza. 71
V

9. Figura 5.5 Verificación del ángulo de desmoldeo. 72
Figura 5.6 Punzón y matriz del molde. 72
Figura 5.7 Superficies analizadas. 86
Figura 5.8 Verificación del área proyectada en la placa. 86
Figura 5.9 Selección de la boquilla. 87
Figura 5.10 Dimensiones propuestas para la boquilla y bebedero. 88
Figura 5.11 Dimensiones del bebedero. 88
Figura 5.12 Patrón de llenado, por el tipo de configuración. 89
Figura 5.13 Sistema de enfriamiento recomendado. 90
Figura 5.14 Archivo CAD de las cavidades 91
Figura 5.15 Archivo CAD tipo malla. 92
Lista de tablas.
Titulo.
Pagina.
Tabla 2.1 Materiales más utilizados por el método de inyección. 10
Tabla 4.1 Espesores de pared sugeridos. 34
Tabla 4.2 Tipos de moldes. 37
Tabla 4.3 Tipos de moldes de acuerdo a su configuración. 38
Tabla 4.4 Tipos de sistema de expulsión. 55
Tabla 4.5 Valores comunes de diámetros de varillas en relación con la
longitud.
57
Tabla 4.6 Contracción en % de plásticos. 57
Tabla 4.7 Para la determinación del tiempo de enfriamiento t según la pieza. 58
Tabla 4.8 Conductividad térmica de algunos materiales de inyección. 60
Tabla 4.9 Tipos de líquidos intercambiadores de calor. 61
Tabla 4.10 Temperaturas de operación. 62
Tabla 5.1 Propiedades del polietileno de alta densidad (PEAD). 69
Tabla 5.2 Características de la maquina marca Tat Ming modelo MA18-A. 70
Tabla 5.3 Espesores de pared sugeridos. 71
Tabla 5.4 Configuración de moldes según su clasificación. 73
Tabla 5.5 Formatos de información acerca de la máquina MA 18-A para la
aplicación del ejemplo en el programa MATHCAD, base de datos en
archivos del programa EXCEL.
74
Tabla 5.6 Formatos de información acerca del material PEAD para la
aplicación del ejemplo en el programa MATHCAD, base de datos en
archivos del programa EXCEL.
75
Tabla 5.7 Lista de símbolos del programa Mathcad para las características de
la máquina de inyección para el archivo Excel.
75
Tabla 5.8 Lista de símbolos del programa Mathcad para las características del
material de inyección para el archivo Excel.
76
VI

10. Lista de Nomogramas.
Titulo.
Pagina.
Nomograma 4.1 Calculo del diámetro de entrada. 46
Nomograma 4.2 Para el cálculo del tiempo de enfriamiento. 59
VII

11. Glosario.
Área provista: Esto es el área provista de las piezas y las anchuras. Se mide viendo la
superficie del molde en los ángulos derechos.
Abertura de ventilación: Un canal pequeño o una ranura desde el borde de la cara de la
cavidad hasta el borde del molde para permitir que el aire y el gas se escapen durante el
proceso de moldeo.
Ampolla: La elevación redondeada y no deseada en la superficie del plástico, las fronteras que
pueden ser perfiladas indefinidamente, pareciendo algo en forma como una ampolla en la piel
humana.
Anchura: La parte de un molde que proporciona la amputación de la rebaba de la pieza
moldeada. (1) La superficie de una boquilla de extrusión que está paralela a la dirección del flujo
de la masa.
Ángulo de desmoldeo: La cantidad de conicidad en los lados del molde y la pieza moldeada
requerida para la eliminación fácil de la parte moldeada del molde. (El grado de conicidad en la
pared lateral o el ángulo del espacio libre diseñado para facilitar la eliminación de las piezas de
un molde.)
Barra guía: Las espigas o barras en el molde que aseguran que se alinee apropiadamente las
mitades del molde. Los elementos que mantienen la alineación apropiada del émbolo de fuerza
y la cavidad cuando el molde se cierra.
Barras de expulsión: Las espigas de acero incrustadas en la cavidad del molde y conectadas
a una placa separada de atrás del molde. La placa de expulsión está actuando cuando se abre
el molde para forzar las espigas de expulsión contra la pieza moldeada y para empujarla fuera
de la cavidad.
Bebedero: El canal para el flujo del material de la boquilla del cilindro de inyección hasta los
canales del molde.
Boquilla: El extremo anterior de un cilindro de inyección, que restringe el flujo de material
caliente por un orificio pequeña. La boquilla está diseñada para formar bajo la presión un sello
entre el cilindro de calentar o la cámara de transferencia y el molde. El extremo anterior de la
boquilla puede tener forma plana o esférica.
Buje: Los bujes cumplen la función de alinear las dos mitades del molde. Estos hacen pareja
con los pernos guía.
Canal (se refiere al molde): En un molde de inyección o transferencia, el canal que conecta el
bebedero con la entrada y la cavidad.
Capacidad de disparo (inyección): Esto es la cantidad de material que es capaz de inyectar la
maquina en un ciclo; generalmente se mide en centímetros cúbicos o en gramos y debe ser
mayor que la cantidad de material necesario para llenar el molde.
VIII

12. Capacidad de plastificación: La capacidad de plastificación, es la indicación de la cantidad de
material referido a una hora de producción que puede procesar la maquina.
Carga: La cantidad de material requerida para llenar las cavidades del molde.
Cavidad: La parte del molde que forma la superficie exterior de la pieza moldeada.
Dependiendo del número de tales, los moldes están diseñados como uní-cavidad o multi
cavidad. Gracias a que el plástico se encoge o contrae, la cavidad esta siempre del lado fijo. Si
se llega a quedar la pieza del lado fijo es porque sé esta sobre-empacando el plástico o tiene
algún negativo la cavidad.
Ciclo: El tiempo que se tarda en completar una operación de moldeo. Incluye la carga del
molde, el cierre, la curación, la abierta del molde y expulsión de la pieza del molde. En moldeo,
el tiempo del ciclo es el período, o tiempo pasado, entre un punto cierto en un ciclo y el mismo
punto del próximo.
Cojinetes contra presión: Los bloques de acero fuera del área de la cavidad que juntan
cuando se cierra el molde para prevenir la presión excesiva en las anchuras de la cavidad. (Los
refuerzos distribuidos alrededor de las áreas muertas y las caras del molde para ayudar a las
anchuras absorben la presión final del cierre sin derrumbarse.)
Contrapresión: La presión desarrollada en el material por la rotación del tornillo cuando se
introduce por la fuerza el material en el tambor. (La resistencia de un material a causa de su
viscosidad, para continuar fluyendo cuando está cerrado el molde.)
Corazón (Macho): Al contraerse el plástico, este se adhiere fuertemente por lo que al abrirse el
molde es más fácil desmoldearlo. Esta parte se deja abierto todo el caudal del agua a fin de
enfriar la pieza en el menor tiempo posible.
Curación: El tiempo requerido para congelar o polimerizar el material termoendurecido cuando
está bajo calor y presión. (Para cambiar las propiedades físicas del material por reacción
química, que puede ser condensación, polimerización, o vulcanización; usualmente se logra por
la acción de calor y catalizadores, solo o en combinación, con o sin la presión.)
Desperdicio: El disco redondo del material que se queda en la transferencia o pozo de pistón
después de que se llene el molde.
El manguito del bebedero es el canal que conecta la boquilla del cilindro de inyección con el
sistema de canales del molde.
Entrada: Una abertura pequeña y restringida entre el extremo del canal y el borde de la cavidad
de un molde de inyección.
Inserción: Un objeto moldeado en o presionado en una pieza moldeada, usualmente metal.
(Una parte integral de un moldeo plástico que consiste de metal u otro material que puede ser
moldeado en una posición o puede ser presionado en la parte después de que el moldeo esté
completado.)
IX

13. La unidad de cierre: Es principalmente el lugar donde vamos a poner el molde. Una unidad
de cierre por muy grande que sea solo tendrá un 10% de su fuerza de cierre para ejercer la
apertura.
La unidad de inyección: Nos ayuda a introducir el material plástico al interior del molde. La
presión de inyección permanecerá más o menos constante mientras que la velocidad de
inyección aumentará con el tamaño de la máquina.
Molde familiar: Un molde con multi-cavidades que contiene varias cavidades de tamaños y
formas diferentes. (Un molde de multi-cavidad en donde cada de las cavidades forman una de
las piezas que lo integran del objeto montado y acabado. El término está aplicado a menudo a
moldes cuyas piezas de clientes diferentes son agrupadas juntas en un molde para la economía
de producción. Algunas veces se refiere al molde como combinación.)
Molde: Una forma hueca de la cavidad en que el material de plástico líquido está introducido
para dar la forma del componente requerido. En términos generalmente se refieren al montaje
completo de los elementos que componen la sección del equipo de moldeo en la que las piezas
están formadas.
Perno recuperador: Su función es la de asegurar que la placa de expulsores se regrese hacia
atrás durante el cierre del molde. Esto asegura que los pernos expulsores no peguen en las
cavidades. Cuando el sistema de expulsión es hidráulico se debe acoplar el sistema de
expulsión al botador de la máquina.
Pistón: La parte de una prensa de inyección o compresión que se aplica la presión en el
material plástico no fundido para empujarlo en la cámara, que a su vez fuerza la fundición del
plástico al frente de la cámara fuera de la boquilla.
Placa porta-cavidad: Es la que lleva la cavidad o cavidades. También aloja el perno guía.
Normalmente es de acero tratado.
Placa porta-corazón: Es la que lleva los corazones o machos. También el buje.
Normalmente es de acero tratado.
Placa porta molde: Las placas superiores e inferiores de una prensa en que las mitades del
molde están unidos con pernos. (Las placas de fijación de una prensa para moldeo por
inyección o compresión, en que el montaje entero está unido con pernos.)
Plasticidad: Un término usado para describir el grado en el que el material fluye bajo el calor y
presión. (Una propiedad de plástico que permite que el material sea deformado continuamente
y permanente sin ruptura en la aplicación de una fuerza que excede el valor de productividad
del material.)
Polimerización: La reacción química que ocurre al moldear durante “curación.” (Una reacción
química en que las moléculas se juntan para formar moléculas grandes cuyo peso molecular es
multiplicado de la sustancia original. Cuando dos o más monómeneres están involucrados, el
proceso se refiere al copolimerización o heteroipolimerzación.
X

14. Preforma: Un bloque de material comprimido. ((1) Una pastilla comprimida o galleta de
compuesto plástico usado para eficacia en manejar y la exactitud en pesar los materiales.) (2)
Para hacer el polvo de moldeo plástico a gránulos o pastillas.)
Purificación: Se refiere a la limpieza de un color o tipo de material del cilindro de una máquina
de moldeo por inyección extrayéndolo para ingresar un color nuevo o un material para ser
usado en producción subsiguiente.
Rebaba: El material excesivo que fluye fuera de la cavidad del molde bajo la presión. (El
plástico extra adjuntado a un molde por la línea de separación; bajo la mayoría de condiciones
sería desagradable y tiene que ser eliminada antes de considerar las piezas aceptables.)
Respiración: La abertura y el cierre del molde para permitir que los gases puedan escapar
durante el ciclo de moldeo.
XI

15. Resumen.
En este trabajo se presenta una metodología para el diseño de moldes de inyección de plástico
basada en la ingeniería concurrente, se realiza una secuencia de actividades con diferentes
recomendaciones para llevar a cabo un buen diseño de moldes de una manera más rápida,
para lo cual se presentaron los modelos de información involucrados en la tarea de diseño de
moldes útiles para la ingeniería concurrente, así como la integración de un programa en
MATHCAD 11, para hacer más fácil y rápida la solución de los modelos matemáticos en la tarea
de diseño de moldes en su fase de anteproyecto de diseño, así mismo en el ejemplo de
aplicación de la metodología se utilizó el programa RHINOMOLD v3.
Abstract.
In this work a methodology for the design of molds of plastic injection based on concurrent
engineering appears, are made different recommendations to carry out a good design of molds
of a way but fast, for which the models of involved information in the task of design of useful
molds for concurrent engineering appeared, as well as the integration of a program in
MATHCAD 11, to make but the solution fast and easy of the mathematical models in the task of
design of molds in its phase of design first draft, also in the example of application of the
methodology I am used program RHINOMOLD v3.
XII

16. Objetivo.
La aportación de elementos a la industria de la transformación del plástico, que faciliten la labor
de diseñar moldes de inyección, así como la implementación de la ingeniería concurrente, para
obtener tiempos de respuesta más rápidos y consecuentemente el tener mayor ventajas
competitivas en una economía globalizada.
Este objetivo principal viene acompañado de otros parciales, como son:
Implementar la metodología de la ingeniería concurrente con todo lo que ello implica.
Desarrollar un proceso de diseño de moldes de inyección basada en el diseño de cada
componente.
Una recopilación de información acerca del diseño de moldes de inyección de plástico,
que permita realizar un óptimo diseño de moldes.
Un análisis de los modelos de información presentes en el ciclo productivo de una pieza
de plástico.
XIII

17. Justificación.
La realidad de las empresas nacionales que se dedican a la producción de piezas de plástico
por inyección, es que gran parte de los moldes los obtienen de países con un mayor desarrollo
tecnológico.
Por lo anterior es notorio que la situación de la industria nacional del plástico revela la urgente
necesidad del desarrollo de capacidades tecnológicas propias para los fabricantes de moldes,
maquiladores, transformadores para el mercado interno y usuarios integrados, que les permita
competir con ventaja en un mundo globalizado.
Es una necesidad el desarrollo de tecnologías en México para la generación de diseños de
moldes propios, por tal motivo el presente trabajo pretende desarrollar una metodología que
permita el diseño de moldes de inyección, además de que se desea aplicar la ingeniería
concurrente durante el proceso de diseño, esto con el objetivo de reducir el tiempo de puesta en
mercado, a través de la integración de todas las actividades involucradas en el diseño de
moldes desde su fase de definición, asegurando que se realice un mejor producto con plazos de
ejecución más cortos y con una mejora de la calidad.
XIV

18. Introducción.
La industria de productos plásticos ha tenido un crecimiento muy grande desde 1945 y una gran
parte de éste crecimiento ha sido en la inyección de plásticos. Esto ha creado una necesidad
cada vez mayor desde entonces, de moldes para inyección de plástico cada vez más complejos
y exigentes.
Desde el diseño hasta la construcción de un molde de inyección de plástico existe una serie de
pasos y factores que deben visualizarse en todo momento.
En un mundo cada vez más globalizado la velocidad de respuesta es un factor primordial para
aprovechar las ventajas competitivas que involucra poner un producto en el mercado antes que
otra empresa. Se ha observado que con el concepto de ingeniería concurrente esto es una
realidad ya que esta metodología esta siendo implementada por la industria automotriz en todo
el mundo.
XV

19. XVI

20. Capítulo I
Generalidades.
1

21. 1.1 Estado del arte.
En la actualidad, cualquier persona que observe a su alrededor se dará cuenta de una
diversidad de objetos producidos a partir de diferentes materiales como madera, metales, rocas,
cerámica, vidrio, huesos, entre otros. Entre los materiales más utilizados actualmente destacan
los plásticos. Cada día alcanzan un papel más importante, en la vida cotidiana, resaltando aun
más lo obtenidos por el proceso de inyección [1].
El inicio de la utilización del proceso de inyección data con exactitud del año de 1872, cuando
J. W. Hyatt resolvió el problema de plastificar y conformar una mezcla de nitrocelulosa y
alcanfor con su "máquina de empaquetar" [2], y fue en 1878 cuando fabrica aquel que es
posible considerar como el primer molde de inyección, siendo esto un paso primordial en el
proceso de transformación por medio de la inyección del plástico.
A partir de 1921 año en que Eichengrun y H. Buchholz patentaron lo que se considera la
primera moldeadora moderna (Máquina de inyección) en la que el celuloide pasaba a un estado
líquido antes de ser introducida bajo presión hacia el interior del molde [2], comienza el inicio de
la era de la inyección del plástico, aunque este equipo tenía muchos problemas en el control de
la temperatura y en el proceso en general, aunado a la falta de moldes para ser utilizados en
esta maquina [3].
El primer molde comercial de inyección fue hecho en Alemania en 1926 por Eckert y Ziegler: lo
patentaron con él número 495362, y era un molde horizontal incorporado a una maquina, en el
cual el molde era guiado por aire a presión, con la mitad fija en una placa móvil. La industria de
los plásticos paso de nivel artesanal al ámbito de la producción industrial, con ciclos rápidos de
producción para esos tiempos [2].
En 1935, la firma alemana Franz Brawn A.G. presentó un compresor con inyección automática,
dando así un gran avance en los equipos de inyección, trayendo como consecuencia la
exigencia del desarrollo de moldes más rápidos y eficientes.
La fabricación de moldes y maquinas de inyección de plásticos a partir de la década de los 70
acelera su crecimiento en países desarrollados. En el caso de los moldes de inyección, la
utilización de maquinas herramientas convencionales con una capacidad de maquinado con
tolerancias más estrechas trajo consigo la fabricación de moldes cada ves más exactos
logrando con ello la sustitución de piezas metálicas, vidrio, cerámica y madera, por piezas
plásticas logrando así una incursión rápida en la industria automotriz y electrónica, al cumplir
con especificaciones técnicas cada vez más rigurosas [3].
Aunque los moldes de inyección eran cada vez más exactos los tiempos de desarrollo y
maquinado eran largos, por lo cual el contar con sistemas de manufactura más modernos era
una prioridad.
Con la llegada de los sistemas CAD/CAM y herramentales más modernos estos tiempos de
desarrollo y manufactura fueron disminuyendo logrando así que las piezas de plástico
incursionaran, más rápidamente en el mercado, con una calidad mayor y a un menor precio.
2

22. Todos estos aspectos históricos son los que determinaron la evolución de la Industria plástica y
sus aportaciones más importantes en el contexto mundial se han podido ver en los últimos 20
años.
1.2 Historia del plástico.
“Plástico” proviene de PLASTIKOS palabra griega que significa susceptible de ser modelado o
moldeado. La historia del plástico data desde 1839, cuando Charles Goodyear vulcaniza la
goma, hasta llegar a nuestros días en que existen una gama de procesos y productos plásticos.
Figura 1.1 Juego de pelota.
Caía la Gran Tenochtitlán bajo el asedio hispano y ya circulan en España escritos del Mártir de
Anglería que mencionaban la existencia de una materia elástica obscura procedente de la
desecación de una savia vegetal que se podía apelmazar y extender a voluntad, totalmente
impermeable al agua. Otros autores de libros y escritos siguieron mencionando ese producto:
Sahagún en 1529, Fernández de Oviedo en 1535, Antonio Herrera y Tordesillas, entre otros.
1.3 Aplicaciones del plástico.
El empleo de los materiales plásticos en la actualidad es destacable, día con día alcanza un papel más
importante, la popularización de los plásticos se debe, básicamente a su bajo costo de producción, poco
peso, elevada resistencia y a la posibilidad de fabricación de piezas en las más variadas formas, tamaños y
colores, figura 1.2
Prácticamente el plástico es utilizado en todas las áreas de la ingeniería. Es imposible mencionar todas las
aplicaciones tanto domésticas como industriales que tiene actualmente. Entre las aplicaciones del plástico
en productos de consumo están los juguetes, los artículos deportivos y demás [2].
Figura 1.2 Productos fabricados con plástico.
3

23. Un ejemplo importante que demuestra el incremento del uso del plástico y la importancia que
tiene, se ve reflejado al analizar la evolución del automóvil; en los modelos más recientes es
notorio que la sustitución de piezas de metal, por plástico en sus componentes ha aumentado
[1].
1.4 Procesos de manufactura del plástico y máquinas utilizadas.
La fabricación de los plásticos y su manufactura implica cuatro pasos básicos que son: La
obtención de la materia prima, la síntesis del polímero básico, la composición del polímero
como un producto utilizable industrialmente y el moldeo ó deformación del plástico en su forma
definitiva.
El moldeo del plástico consiste en dar la forma y medida deseada a un plástico por medio de un
molde. El molde es una pieza hueca en la que se vierte el plástico fundido para que adquiera su
forma. Para ello los plásticos se introducen a presión en los moldes. En función del tipo de
presión, se tienen: moldeo a alta presión y moldeo a baja presión.
El moldeo a alta presión, se realiza mediante máquinas hidráulicas que ejercen la presión
suficiente para el moldeado de las piezas. Básicamente existen tres tipos [4]:
• Compresión.
• Inyección.
• Extrusión.
Compresión: En este proceso, el plástico en polvo es calentado y comprimido entre las dos
partes de un molde mediante la acción de una prensa hidráulica, ya que la presión requerida en
este proceso es muy grande. Fig. 1.3
Figura 1.3 Máquina de compresión.
Inyección: Consiste en introducir el plástico granulado dentro de un cilindro, donde se calienta.
En el interior del cilindro hay un tornillo sinfín que cuando el plástico se reblandece lo suficiente,
lo inyecta a alta presión en el interior de un molde de acero para darle forma. El molde y el
plástico inyectado se enfrían mediante unos canales interiores por los que circula agua. Por su
economía y rapidez, el moldeo por inyección resulta muy indicado para la producción de
grandes series de piezas. El equipo utilizado es una máquina de inyección, figura 1.4.
4

24. Figura 1.4 Máquinas de inyección.
Extrusión: Consiste en moldear productos de manera continua, ya que el material es empujado
por un tornillo sinfín a través de un cilindro que acaba en una boquilla, la que produce una tira
de longitud indefinida. Cambiando la forma de la boquilla se pueden obtener barras de distintos
perfiles. También se emplea este procedimiento para la fabricación de tuberías, inyectando aire
a presión a través de un orificio en la punta del cabezal. El equipo utilizado es una máquina de
extrusión, figura 1.5.
Figura 1.5 Máquina de extrusión.
Moldeo a baja presión: El moldeo a baja presión, se emplea para dar forma a láminas de
plástico mediante la aplicación de calor y presión hasta adaptarlas a un molde. Se emplean,
básicamente, dos procedimientos: El primero consiste en efectuar el vacío absorbiendo el aire
que hay entre la lámina y el molde, de manera que ésta se adapte a la forma del molde. El
equipo utilizado es una máquina de termoformado al vacío.
El segundo procedimiento consiste en aplicar aire a presión contra la lámina de plástico hasta
adaptarla al molde. Este procedimiento se denomina moldeo por soplado.
Colada: La colada consiste en el vertido del material plástico en estado líquido dentro de un
molde, donde fragua y se solidifica. La colada es útil para fabricar pocas piezas o cuando se
emplean moldes de materiales baratos de poca duración, como escayola o madera. Debido a
su lentitud, este procedimiento no resulta útil para la fabricación de grandes series de piezas.
5

25. Espumado: Consiste en introducir aire u otro gas en el interior de la masa de plástico de
manera que se formen burbujas permanentes. Por este procedimiento se obtiene la espuma de
poliestireno, la espuma de poliuretano (PUR), entre otras.
Calandrado: Consiste en hacer pasar el material plástico a través de unos rodillos que
producen mediante presión, láminas de plástico flexibles de diferente espesor. El equipo
utilizado es una máquina de rotomoldeo.
1.5 La máquina de inyección.
La máquina de inyección, tiene la función de inyectar el plástico en un molde en el que se
encuentra impresa la forma de la pieza final.
1.5.1 Tipos de máquinas de inyección.
La gran diversidad y complejidad de los productos obtenidos a partir del método de moldeo por
inyección exige, que exista una diversidad de máquinas de inyección que faciliten los requisitos
exigidos en procesos de producción, entre las que destacan [4], [5]:
1. Con sistema de Pre-plastificación.
2. Para moldeo descentrado.
3. Giratoria (FiFo).
4. De inyección de multicomponentes.
5. De coinyección (proceso sándwich).
6. De inyección de pintura en el molde (IPT).
7. De inyección para espumas rígidas.
8. De inyección asistida por gas.
9. De moldeo por inyección reactiva (RIM).
10.De inyección con fundido pulsante.
Además de los distintos tipos de máquinas, existen también distintos arreglos en las unidades
de inyección, como lo son:
1. Inyección y cierre horizontal (posición normal).
2. Cierre horizontal con inyección vertical.
3. Cierre e inyección vertical.
4. Cierre vertical e inyección horizontal.
1.5.2 Descripción de la máquina de inyección.
La descripción se refiere al tipo normal de máquinas de inyección [6]. Una máquina de moldeo
por inyección tiene como función realizar un ciclo de trabajo, con un molde de inyección de
plástico, para lo cual el molde es montado en las dos unidades principales, que son la unidad
de cierre y la unidad de inyección.
En una máquina de inyección pueden identificarse diferentes partes fundamentales, las cuales
normalmente se agrupan dentro de las siguientes unidades [5]:
6

26. 1. Unidad de cierre.
2. Unidad de inyección.
3. Unidad de potencia.
4. Unidad de control.
1.- La unidad de cierre; Cuenta con los dispositivos necesarios para la colocación
accionamiento y funcionamiento de las dos mitades del molde, su funcionamiento es semejante
al de una prensa de compresión [4].
Por razones de costo, frecuentemente se utiliza un sistema mecánico a base de palancas
acordadas para máquinas con capacidad de hasta 10 000 KN de fuerza de cierre, mientras que
para máquinas mayores se prefiere el sistema hidráulico [5].
2.- La unidad de inyección; Comprende las partes necesarias de la máquina para la carga,
plastificación e inyección de plástico. Esta unidad tiene la función de cargar y plastificar el
material sólido mediante el giro axial del tornillo con la finalidad de inyectar el material
plastificado hacia las cavidades del molde y mantenerlo bajo presión hasta que sea eyectado.
Existen tres tipos importantes de unidades de inyección [5]:
1. Unidades de pistón de una fase.
2. Unidades de pistón de dos fases pistón-tornillo.
3. Unidades en línea con tornillo alternativo.
En la actualidad el más usado es la unidad en línea con tornillo alternativo.
3.- La unidad de potencia: Comprende el conjunto de dispositivos necesarios de la máquina
para transformar y suministrar la fuerza motriz a la unidad de inyección y de cierre. Las
máquinas emplean dos sistemas de potencia uno para el cierre del molde y otro para la
inyección [5].
4.- La unidad de control: Es la parte necesaria de la máquina para que se realice el proceso
de una forma predeterminada y pueda variarse.
El sistema de control está ligado íntimamente al de potencia, a través del cual las distintas
señales se convierten en movimientos de las unidades de inyección y cierre [5].
1.5.3 Características principales de una máquina de inyección.
Las características principales de una máquina de inyección son aquellas que permiten definir
las limitaciones en el tamaño y en el peso de la pieza a inyectar, tamaño de molde, producción,
entre otros, estas características generales incluyen las especificaciones del fabricante de la
máquina, en las cuales destacan las unidades de presión y de cierre, ya que es más común
diseñar un molde para utilizarlo en una máquina determinada, que diseñar un molde y buscar
un modelo de máquina que cumpla con los requerimientos del mismo .
Las partes principales de una maquina de inyección se muestra en la figura 1.6
7

27. Figura 1.6 Partes de una máquina de inyección.
La unidad de inyección es la parte plastificante de la máquina se tienen varias características de
importancia, que permiten definir y comparar capacidades [5]:
1. Diámetro del husillo.
2. Volumen a inyectar.
3. Presión de inyección.
4. Relación L/D.
5. Velocidad máxima del husillo.
6. Velocidad de inyección.
7. Capacidad de plastificación.
Entre las principales características de la unidad de cierre están [5]:
1. Fuerza de cierre.
2. Altura máxima del molde.
3. Carrera de apertura.
4. Espacio entre barras.
Dentro de la unidad de cierre, el tamaño mínimo de una prensa está determinado por la presión
requerida para cerrar el molde durante el ciclo de moldeo.
8

28. Capítulo II
Proceso de moldeo
del plástico.
9

29. 2.1 Clasificación de los plásticos.
La clasificación de los plásticos [7] esta definida por las propiedades físicas y químicas de las
resinas que los constituyen, existen dos grupos principales: los termoplásticos y los termofijos.
Su clasificación se basa por su capacidad para volver a ser fundidos mediante el uso de calor.
Los termoplásticos son resinas con una estructura molecular lineal que durante el moldeo en
caliente no sufren ninguna modificación química, además la acción del calor causa que estas
resinas se fundan, solidificándose rápidamente por enfriamiento de aire o al contacto con las
paredes del molde.
Las resinas termofijas pueden ser fundidas una sola vez. (Esta es la principal diferencia de los
plásticos termofijos y termoplásticos), estas resinas bajo la acción del calor se funden
inicialmente, pero si sé continua aplicando calor, experimentan un cambio químico irreversible,
el cual provoca que las resinas se tornen infusibles (no se plastifiquen) e insolubles [8]. La tabla
2.1 muestra las principales resinas utilizadas en la industria de la inyección del plástico.
Tabla 2.1 Materiales más utilizados por el método de inyección.
Resinas
Termofijas.
Símbolo.
ISO 1043
Denominación. Resinas
Termoplásticas.
Símbolo.
ISO 1043
Denominación.
Fenolicas. PF. Resina fenol-
folmadehido.
Acrílicas.
PMMA
Polimetil-metacrilato.
Melaminicas. MF.
MPF
Resinamelamina-
formaldehído.
Resinamelamina-fenol-
formaldehído.
Celulositas. CA
CAB
CP
Acetato de celulosa.
Acetabutirato de celulosa.
Polipropinato de celulosa.
Ureicas.
UF.
Resina urea-
formaldehído.
Estirenicas. PS
SB
ABS
SAN
Poliestireno.
Poliestireno de alto impacto.
Acrilonitrilo-butadieno-
estireno.
Acrilonitrilo-estireno.
Arílicas. --- Resina alquídica. Vinílicas. PVC
PVAC
Cloruro de polivinilo.
Poliacetato de vinilo.
Alquidicas. PDAP Resina alílica (policial-
ilftalato.
Poliolefinicas. PE
PP
Polietileno.
Polipropileno.
Epóxicas. EP. Resina epxica. Poliacetalicas POM Poliacetal (poli-simetileno).
Poliesteres
insaturados. UP.
Resina poliéster
(insaturada).
Poliamidas. PA 66
PA 6
PA 610
PA 11
PA 12
Poliamida 66.
Poliamida 6.
Poliamida 610.
Poliamida 11.
Poliamida 12.
Poliuretanos.
(con estructura
reticulada)
PUR. Resina poliuretánica.
(rígida ó flexible)
Policarbonatos. PC Policarbonato.
Silicónicas.
(con estructura
reticulada)
SI.
Resina silicónica
(rígida o flexible)
Poliesteres
Termoplásticos.
PBTP
PETP
Polibutilén-tereftalato.
Polibutilén-tereftalato.
Polifenilénicas. PPO Polióxido de fenileno.
Poliuretanos
(Con estructura
lineal).
PUR Poliuretano termoplástico
Resinas
Fluoro-carbónicas.
FEP
ETFC
PCTFE
Fluoro etileno-propileno.
Tetrafluoroetileno-etileno.
Trifluoroetileno-policloro.
Existe un tercer grupo el grupo de los elastómeros (es decir polímeros elásticos), que
comprenden los hules naturales y los hules sintéticos, se caracterizan por una elevada
elongación del orden entre el 200% y el 1000%, con relación a su dimensión inicial.
10

30. 2.2 Tecnología de moldeo de materiales plásticos.
La diferencia en la tecnología de moldeo [7] para los materiales termofijos y los termoplásticos,
está dada principalmente por la temperatura de procesamiento es decir, los materiales
termoplásticos deben ser calentados (a la temperatura de fusión) para ser inyectados después
en moldes fríos para que se solidifiquen y los materiales termofijos (reticulables) al contrario,
deben ser comprimidos, plastificados e inyectados a bajas temperaturas en moldes calientes
para completar la reacción de reticulación y endurecimiento.
2.3 Moldeo por inyección de plástico.
2.3.1 El ciclo de inyección.
Los ciclos de operación para las dos clasificaciones de plásticos más comunes, por sus
características, son distintos, entendiendo como ciclo de inyección, la secuencia de operaciones
para la producción de una pieza.
Un ciclo de inyección para los materiales termoplásticos, sigue las siguientes etapas [5]:
1. Se cierra el molde vació, mientras se tiene lista la cantidad de material fundido que se va a
inyectar dentro del barril de la máquina.
2. Se realiza la inyección al introducir material mediante un tornillo, el cual actúa como pistón
(sin girar), forzando el material a pasar a través de la boquilla hacia las cavidades del molde,
con una determinada velocidad y presión de inyección, figura 2.1
Figura 2.1 Inyección del material.
3. Una vez terminada la inyección, se mantiene la presión sobre el material inyectado en el
molde antes de que solidifique, esto es para contrarrestar la contracción de la pieza durante su
enfriamiento y se conoce como presión de sostenimiento o pospresión (también conocida como
presión de compactación o de recalque) y normalmente se aplican valores menores a los de
inyección. Una vez que comienza a solidificar la pieza puede liberarse la aplicación de está
presión, figura 2.2.
Figura 2.2 Aplicación de la presión de sostenimiento.
11

31. 4. El tornillo gira haciendo circular los gránulos de plástico desde la tolva y plastificárlos. El
material fundido es suministrado hacia la parte delantera del tornillo, donde se desarrolla una
presión contra la boquilla cerrada, obligando al tornillo a retroceder hasta que se acumula el
material requerido para la inyección [5].
5. El material dentro del molde se continúa enfriando en donde el calor es disipado por el fluido
refrigerante. Una vez terminado el tiempo de enfriamiento, la parte móvil del molde se abre y la
pieza es extraída, figura 2.3.
Figura 2.3 Enfriamiento y extracción de la pieza.
6. El molde cierra y se reinicia el ciclo.
2.3.2 Factores que influyen en el proceso de moldeo.
Las variables de moldeo para los materiales termoplásticos (que son los materiales más
comunes de inyectar), se dividen en tres grandes grupos que consisten en:
1. Materiales de moldeo (fluidez, comportamiento térmico, propiedades físicas.)
La viscosidad y la fluidez de los polímeros en los estados fundidos tienen grandes variables
que dependen tanto de las propiedades intrínsecas de las resinas como de las condiciones
en que se realiza el moldeo, las variaciones de la temperatura, presiones y tiempos de
inyección pueden facilitar el llenado de un molde complejo o al contrario puede dar como
resultado piezas moldeadas frágiles, aunque aparentemente bien hechas.
2. Condiciones de moldeo (temperatura de la masa fluyendo, temperatura del molde,
presiones y tiempos de inyección, tiempo de enfriamiento.)
Dentro de las condiciones de moldeo los factores que mayoritariamente influyen en el
proceso son 3 principalmente: La temperatura, la presión y el tiempo.
3. Máquinas y moldes (sistema de plastificación, capacidad y volumen de inyección, fuerza
de cierre del molde, dimensiones de las platinas en la máquina y en los moldes
aplicables, sistema de regulación y de control de todos los parámetros de moldeo, tipo de
molde y sistema de alimentación y termorregulación.)
La variación de estos factores y la interacción son de gran importancia cuando se tiene que
probar un molde o iniciar la producción de piezas moldeadas, de la misma manera es
imposible determinar cual factor es el más importante sí la temperatura, la presión, las
velocidades ó el tiempo [8].
12

32. 2.3.2.1 Temperatura.
Dentro del proceso de plastificación las variaciones de la temperatura de fusión o de
plastificación juegan un papel diferente, según sea el caso de un material termoplástico o un
material termofijo.
En los materiales termoplásticos, la viscosidad es constante cuando la temperatura es
constante, por consiguiente, las variaciones de temperatura de un material termoplástico se
traducen en variaciones de viscosidad. Por esa razón es posible llenar más rápido un molde
simple o complejo con un aumento de temperatura que disminuya la viscosidad [8].
El comportamiento de la temperatura durante el ciclo de inyección de un material termoplástico
es como indica la figura 2.4.
Ciclo de operación para los termoplásticos, se puede observar que la curva de la temperatura trazada a lo largo del
recorrido del material indica que el material viene precalentado y plastificado a alta temperatura del orden de 220°C
a 130°C en el cilindro de plastificación con husillo giratorio. Enseguida, el material plastificado se inyecta a presión
dentro del molde, el cual está dispuesto a enfriar el plástico de 60°C y 70 °C
Figura 2.4 Ciclo de operación de termoplásticos.
En el caso de los materiales termofijos la relación temperatura - viscosidad depende también
del tiempo. La temperatura de la masa fundida del material de moldeo es controlada por las
temperaturas del tambor. Las camisas de agua alrededor del tambor, ayuda a regular el punto
en que el material empezará a convertirse en plástico. La velocidad del tornillo, velocidad de
inyección y contrapresión crean calor por fricción. Para mantener una temperatura de fusión
consistente y trabajable, todas las variables tienen que ser coordinadas y ajustadas. La
temperatura de la masa fundida no puede estar tan caliente que el material cure antes de que
pueda llenar las piezas, ni tan fría que los tiempos del ciclo tengan que ser extendidos para
producir piezas aceptables del molde [6].
El comportamiento de la temperatura durante el ciclo de inyección de un material termofijo es
como indica la figura 2.5, donde se observa un incremento de temperatura en la zona del
molde.
13

33. Ciclo de operación para los termofijos, se puede observar que la curva de la temperatura trazada a lo largo del
recorrido del material indica que el material viene precalentado y plastificado a baja temperatura del orden de 70°C
a 90°C en el cilindro de plastificación con husillo giratorio. Enseguida, el material plastificado se inyecta a presión
dentro del molde, el cual está calentado a alta temperatura.
Figura 2.5 Ciclo de operación de termofijos.
El control de la temperatura para ambos casos, es un factor de gran importancia, ya que
garantiza la calidad requerida en un proceso de moldeo por inyección.
Es importante señalar, que además existe transmisión de calor por factores externos como lo es
el cilindro de plastificación, que suma el calor generado por el tornillo el cual gira y mezcla el
material. Los factores que influyen en dicha transmisión son:
1. La forma del husillo (tornillo).
2. La variación de su velocidad de rotación.
3. Los valores de contrapresión.
Para llevar el control de la temperatura se insertan una serie de termopares en las diferentes
zonas del recorrido del material desde la tolva hasta la boquilla, los termopares están
conectados a sistemas de control que mantienen la temperatura en un rango ya determinado
por el operador.
2.3.2.1.1 Viscosidad del material.
Es una característica intrínseca del material plástico inyectado y simboliza la "dificultad o
facilidad" con la que el material fluye dentro de un determinado conducto [8]. Puesto que los
materiales poliméricos no son newtonianos, su viscosidad no es constante y depende de dos
parámetros: la temperatura a la que se encuentra el material y el gradiente de velocidad (shear
rate) al que se somete el material al fluir dentro de la cavidad [7].
14

34. 2.3.2.2 Presión.
La presión de inyección es una presión requerida para vencer la resistencia que el material
fundido produce a lo largo de su trayectoria, la resistencia es originada por:
• La brusca reducción de sección correspondiente a la boquilla, los canales de
alimentación y de las entradas al molde.
• La longitud de la trayectoria y la geometría más ó menos complicada de la cavidad que
debe de producir la pieza moldeada.
• El material que progresivamente se endurece a lo largo de su trayectoria.
En la generación de la presión de inyección se ven involucrados los siguientes elementos de la
máquina:
1. Cilindro de inyección.
2. Motor hidráulico para la rotación del husillo.
3. Cilindro para el movimiento de la unidad de inyección.
4. Cilindro para el accionamiento del grupo de cierre de moldes.
El ciclo de inyección esta dividido en dos etapas: la presión primaria y secundaria, donde
intervienen diversos valores de presión en tiempos sucesivos. La intensidad y duración de cada
periodo se ve influida en diferente medida sobre las características físico-mecánicas y de
contracción de las piezas moldeadas [7],[8].
La presión en el material está controlada por la presión primaria que mueve el tornillo hacia
adelante a una velocidad rápida para llenar las cavidades. La presión secundaria completa el
llenado de las cavidades y mantiene la presión en el material hasta que sea curado
suficientemente para permitir al tornillo regresar [6].
En la figura 2.6 se observa la presión de inyección en función con tiempo en una máquina con
dos presiones regulables independientes: p1 primera presión, P2 segunda presión (presión de
sostenimientos o pospresión). Las presiones se han medido en el cilindro hidráulico.
15

35. Figura 2.6 Diagrama de presión de inyección vs. Tiempo [8].
2.3.2.3 Velocidades y tiempo.
Cuando se habla de velocidad de inyección se hace referencia al avance o carrera axial del
husillo en la fase de inyección. La velocidad y el tiempo de inyección están obviamente ligadas
porque varían en razón inversa: Este parámetro depende, del sistema hidráulico y de inyección
[8]
2.3.2.3.1 Velocidad de rotación del husillo.
Determina la capacidad de plastificación de la máquina (Kg/h), pero influye también la
homogeneidad y la uniformidad de la temperatura del material fundido en el cilindro.
El aumento de las R.P.M del husillo (y por lo tanto de su velocidad periférica) hace incrementar
la cantidad de calor generado por la fricción.
Los valores de rotación del husillo están dados por R.P.M sin referencia al diámetro del husillo,
es más importante considerar la velocidad periférica del tornillo en metros por segundo, por que
está en función del diámetro y de las revoluciones por minuto [8].
Algunos valores de velocidades comunes de rotación para diferentes materiales según la
viscosidad son los siguientes [6]:
1. Materiales muy fluidos 0.6 a 1.2 m/s.
2. Materiales con fluidez media 0.3 a 0.6 m/s.
3. Materiales termofijos elastómeros 0.6 a 1.2 m/s.
2.3.2.3.2 Tiempo de enfriamiento para piezas termoplásticas.
El tiempo de enfriamiento para termoplásticos, condiciona la duración del ciclo de moldeo y por
lo tanto la productividad de la máquina.
16

36. Pero el cálculo exacto del tiempo de enfriamiento es más ó menos complejo, debido a que se
trata de un intercambio de calor que depende de muchas variables, como son:
1. La temperatura del material fundido.
2. La temperatura de solidificación del material.
3. El coeficiente de conductividad térmica del material.
4. Temperatura del molde.
5. Espesor de la pieza moldeada.
2.3.2.3.3 Tiempo de enfriamiento para piezas termofijas.
El tiempo de enfriamiento para piezas termofijas depende de la propiedad intrínseca de la
resina básica que constituye el “aglutinante” del compuesto de moldeo.
La duración de enfriamiento está limitado por dos variables que son:
1. Plastificación del material que será inyectado en el próximo ciclo.
2. Endurecimiento de la cantidad de material inyectado en el molde.
2.4 Moldeo por inyección de plástico.
2.4.1 La función del molde de inyección.
Un molde de inyección de plásticos tiene la función de recibir el plástico caliente de una
máquina de inyección con una alta presión para llenar las cavidades, una vez frío el plástico, se
expulsa. Un molde contiene la forma inversa del producto deseado [5].
2.4.2 Clasificación de los moldes.
La clasificación de los moldes está dada por las características físicas y de trabajo [9]:
1. Por su tamaño:
a).- Grandes.
b).- Pequeños.
2. Por número de cavidades:
a).- De una sola cavidad.
b).- De múltiples cavidades.
3. Por la forma de trabajar:
a).- Manuales.
b).- Semiautomáticos.
c).- Automáticos.
4. Por el tipo de construcción:
a).- De dos mitades o platos.
b).- De tres placas.
c).- Sin sobrantes.
17

37. 2.4.3 Descripción de los moldes.
Para una descripción más sencilla de un molde de inyección, se toma la representación más
común que consiste en un molde de dos placas o mitades [9].
Las partes del molde se pueden dividir por sus funciones en los siguientes sistemas:
1. Sistema de alimentación.
2. Sistema de expulsión de la pieza.
3. Sistema de refrigeración.
4. Guiado del molde.
En la figura 2.7 se observan los componentes de un molde de inyección de plástico.
Figura 2.7 Partes de un molde de inyección.
2.5 Situación actual de la fabricación de moldes en México.
El comienzo de la producción de grandes volúmenes de plástico, comienza con la sustitución de
piezas de materiales metálicos, madera, y demás, por plástico. Lo cual abrió grandes
oportunidades en el mercado para productos manufacturados por inyección, extrusión,
termoformado y rotomoldeo, entre otros.
Pero crecimiento de los recursos que ayudaron a producir estos grandes volúmenes de
producción no se efectuaron paralelamente en los países industrializados y en los en vías de
desarrollo. En estos últimos se continuó con una producción mayoritariamente de piezas
simples y con una importación de tecnologías de producción de los países industrializados,
causando un gran rezago tecnológico, aunado a la influencia de los siguientes factores que
condicionan el campo de la industria del plástico [3]:
18

38. 1. El precio del petróleo.
2. Materia prima para elaboración de productos plásticos.
3. Influencia de la materia prima reciclada.
4. Avance tecnológico en el área de producción.
México como país en vias de desarrollo se encuentra con un rezago tecnológico fuerte para los
procesos de inyección, extrusión, termoformado y rotomoldeo estos son en su mayora son
simplemente insuficientes. A pesar de ser un país productor de petróleo (el quinto mayor
productor de crudo en el mundo) y contar con otros grandes factores a su favor para
desarrollarse como industrializador de material plástico [10].
2.5.1 Situación económica en la fabricación de moldes en México.
Durante la década de los noventa, la industria plástica en América Latina mostró un crecimiento
sólido. Hoy, en conjunto, es un importante mercado mundial. América Latina importa US $1.200
millones en maquinaria para procesamiento del plástico y US $8.000 millones en resinas y
películas. México, Brasil y Argentina son los mercados domésticos que dan cuenta de las más
grandes porciones de estos totales [11].
En México, la manufactura de moldes para inyección de plástico reportó en el año 2002
importaciones superiores a los 628 millones USD, mientras que las exportaciones fueron tan
solo de 140 millones USD. Además se estima que en México existen alrededor de 87,000
moldes que requieren rediseño ó mantenimiento. Aún cuando la inversión en mantenimiento ha
crecido en un 20% anual desde 1996 al 2000, aunado a la incorporación de nuevos fabricantes
y la consolidación de los ya existentes, este sector sigue presentando importantes áreas de
oportunidad [11].
2.5.2 Situación tecnológica en la fabricación de moldes en México.
La realidad de las empresas Mexicanas que producen moldes de inyección es que poseen
medios incompletos de producción, el personal que actúa en estas labores no posee ni la
capacidad ni la competencia requerida, consecuentemente, el desarrollo de productos y su
posterior producción mediante el uso de moldes y matrices son poco eficientes y poco
competitivas. Por estos motivos, gran parte de los clientes que procesan plástico por medio de
moldes obtienen sus matrices y moldes en países de mayor desarrollo tecnológico.
Por lo anterior es notorio que la situación de la industria nacional del plástico revela la urgente
necesidad del desarrollo de capacidades tecnológicas propias para los fabricantes de moldes,
maquiladores, transformadores para el mercado interno y usuarios integrados, que les permita
competir con ventaja en un mundo globalizado. La formación de profesionales especializados
en el diseño, fabricación y mantenimiento de moldes para inyección de plásticos, es una
necesidad para el desarrollo de tecnologías en México y para la generación de diseños propios
[11]
Las necesidades de un mercado globalizado obligan a que el sector de la fabricación de moldes
se encuentre en un continuo proceso de incremento de la productividad, de reducción de costos
y de elevación del nivel tecnológico en el diseño y construcción, así como el implemento de
procesos más eficientes, el desarrollo novedoso de moldes a un costo justo a la vez de
19

39. incrementar la eficacia del trabajo conjunto que realizan todas las empresas y/o departamentos
que intervienen simultáneamente en el diseño y la producción de un producto plástico.
En las relaciones normales entre estas empresas en las que los tiempos de respuesta y los
costes deben ser reducidos, el correcto intercambio de información entre ellas y en el interior de
las mismas es un aspecto crucial para un mejor crecimiento.
20

40. Capítulo III
La ingeniería concurrente en el diseño
de piezas de plástico.
21

41. Con el objetivo de contar con una metodología que considere las necesidades más importantes
presentes en la fabricación de piezas de plástico por el método de inyección de plástico en un
ambiente globalizado, se adopta la llamada ingeniería concurrente (CE por sus siglas en inglés),
[12] para poder así contar con un enfoque sistemático para el diseño paralelo e integrado de
moldes de inyección de plásticos donde se involucren los procesos relacionados, incluyendo la
manufactura y servicios de apoyo, todo con el objetivo de que los desarrolladores consideren,
desde el inicio del proyecto todos los elementos del ciclo de vida del molde, desde su
concepción hasta su eliminación y reciclaje, incluyendo calidad, costo, planeación y
requerimientos del usuario.
Se ha demostrado que cuando se aplica exitosamente la ingeniería concurrente, los productos
que se desarrollan con está filosofía se fabrican de forma eficiente, entran al mercado
rápidamente y son de calidad satisfactoria para los clientes.
Los elementos básicos para lograr la aplicación de la ingeniería concurrente en el diseño de
moldes son [13]:
• Una arquitectura computacional distribuida que permita la sincronización, la
programación óptima de tareas y el manejo adecuado de flujos de información.
• Un conjunto de herramientas computacionales que permiten desarrollar prototipos a bajo
costo, de forma óptima e inteligente útil para la toma decisiones, responsabilidades y
cierta libertad para manejar recursos propios a cada parte involucrada en el proceso de
diseño. Además puede suceder que físicamente el personal se encuentre localizado en
diferentes ciudades o países.
• Producto definido en términos del cliente, retraducidos a términos de ingeniería con
considerable detalle.
• Una representación unificada de toda la información de diseño y manufactura, de forma
que pueda visualizarse é interpretarse desde diversas perspectivas.
Otro concepto que distingue a la ingeniería concurrente del enfoque tradicional es la necesidad
de cambio de cultura organizacional, los equipos de trabajo multidisciplinarios y el énfasis en el
manejo de rutas de información más que de jerarquías organizacionales.
3.1 Concepto de ingeniería concurrente.
En general la aplicación de la ingeniería concurrente en el diseño, requiere conceptualizar un
enfoque no lineal en el desarrollo del diseño por parte del personal de una empresa, lo que trae
como consecuencia la integración de los elementos de entrada, de proceso y de salida
necesarias para elaborar un producto. Las personas y los procesos se conjuntan desde el inicio
del diseño (algo que normalmente no se hace en el enfoque lineal). El equipo está formado por
ingenieros de diseño, de producción, técnicos, personal de mercadotecnia, finanzas,
planificadores y gerentes, todos ellos trabajan de manera conjunta para resolver un problema y
generar un producto. En la actualidad existe un amplio consenso en afirmar que la ingeniería
concurrente (paralela o simultánea) es la forma más eficiente de hacer ingeniería en un entorno
cada vez más competitivo [14].
22

42. Este enfoque exige que se gaste más tiempo en la definición del producto que de una manera
habitual; también la planificación es mucho más profunda, de tal manera las modificaciones se
realizan en las primeras fases de diseño, mucho antes de que se realicen los primeros
prototipos, donde la realización de cambios resulta rentable, figura 3.1 [15].
Figura 3.1 Etapas de realización de cambios.
La idea básica sobre la que se sustenta la ingeniería concurrente responde en cierto modo al
sentido común, y consiste en iniciar todas las actividades del proyecto cuanto antes, haciendo
participar desde el principio a todos los departamentos implicados, así como a los proveedores.
Sin embargo ello con lleva en la práctica a una serie de nuevos problemas organizativos que, si
no son debidamente resueltos, pueden disminuir substancialmente su efectividad.
Por ejemplo el enfoque concurrente obliga a avanzar a la toma de decisiones en etapas cada
vez más tempranas dentro del proceso de diseño y desarrollo, por tanto es importante decidir a
partir de información más incompleta e inmadura, y al mismo tiempo asegurar el éxito al primer
intento. Por otra parte el flujo de información es también más complejo y exige una gran
agilidad, especialmente cuando dicho flujo se produce entre distintas empresas que colaboran
en el desarrollo de un mismo proyecto.
3.2 Objetivos de la ingeniería concurrente.
El objetivo básico de la ingeniería concurrente es la disminución del tiempo total transcurrido
desde la detección de una necesidad hasta la comercialización de un producto. La importancia
en la aceleración de este proceso radica, en la ventaja competitiva que supone se va alcanzar
en el mercado antes que los competidores.
Este objetivo principal viene acompañado de otros parciales, como son [12]:
• La reducción de los costos totales.
• El aumento de la calidad y fiabilidad global del producto.
• El incremento del valor añadido.
23

43. El último aspecto implica un cambio de enfoque radical por parte de los técnicos, que deben
anteponer a su criterio la visión del producto por parte del cliente. Ello conlleva a elaborar un
conjunto de requerimientos y condicionantes mucho más completos, y en definitiva un mejor
conocimiento del problema desde las etapas iniciales.
3.3 Mecanismos de la ingeniería concurrente.
La ingeniería concurrente se sustenta sobre tres pilares, o mecanismos, básicos que le
confieren sus especiales características. Es importante señalar que cada uno de estos tres
mecanismos [15] debe estar presente e integrado de forma adecuada con los otros dos para
asegurar el éxito.
1. Paralelismo.
2. Integración.
3. Acierto.
3.4 Las comunicaciones en un entorno de ingeniería concurrente.
Uno de los factores clave para el éxito en la implantación de la ingeniería concurrente es la
comunicación y coordinación entre las personas, que forman los equipos multidisciplinarios de
proyecto, tanto a nivel interno como externo, y especialmente con los proveedores.
El tamaño de un equipo de trabajo es otro factor clave para su eficacia. Es mejor subdividir el
grupo en grupos menores de 2 a 3 miembros. Esto obliga a una importante segmentación de
tareas durante la planificación del proyecto [13].
La base para la ingeniería concurrente es la comunicación, una medida importante en este
aspecto consiste en disponer de un sistema informático para el manejo de la información que
sea compartido, no solo por todos los departamentos de la empresa, sino también por los
proveedores. En este caso es importante concretar cual es la información esencial que es
preciso controlar [16].
3.6 Ingeniería concurrente y los sistemas CAD/CAM/CAE.
Tomando en cuenta que en un sistema de producción tradicional el proceso de productivo
ejecuta los resultados finales del proceso de diseño para producir un sistema o producto, donde
resalta la separación del proceso creativo con el proceso de producción lo cual trae como
consecuencia un mayor tiempo de obtención de un producto o sistema.
En la actualidad con la utilización de la ingeniería concurrente y con el advenimiento del diseño
por computadora, está separación ya no es necesaria y dentro de un enfoque moderno de
diseño es inevitable reunir estos dos procesos.
El proceso de diseño de ingeniería concurrente tiene un enfoque moderno y está conformado
por tres bases de aplicación que se traslapan entre sí [14],[16]:
• Ideación.
• Refinamiento.
• Implantación.
24

44. Los integrantes de los equipos multidisciplinarios llevan a cabo estas tres bases de aplicación
con el fin de desarrollar su trabajo de una manera moderna. Por tal motivo comparten la misma
base de datos CAD en 3D para que cualquier integrante del equipo pueda tener acceso al
diseño en curso a través de una terminal de computadora. El compartir datos es muy importante
en el éxito del proceso de diseño. A través de este proceso de compartir información, hace
posible que todas las áreas de una empresa trabajen de manera simultánea en las necesidades
particulares de un diseño a medida que se desarrolla el producto. Por ejemplo, los ingenieros de
diseño pueden crear un modelo preliminar en 3D al inicio de la fase de ideación. Un ingeniero
mecánico puede utilizar el mismo modelo 3D para analizar sus propiedades térmicas. La
información obtenida con este análisis preliminar puede proporcionarse a los ingenieros de
diseño, quienes harán los cambios necesarios al inicio de la fase de ideación, logrando
minimizar los costosos cambios en el proceso de diseño.
Para diseñar está arquitectura será necesario saber en líneas generales las exigencias que
tendrá el sistema. Lo primero a tener en cuenta es que el diseño de moldes es una tarea
altamente especializada realizada por moldistas expertos que implica una terminología y
metodología de trabajo muy específica. Es por esto que estos expertos serán tanto aportadores
como usuarios finales de la aplicación, siendo esto un factor clave para desarrollar el sistema,
determinando la estrategia de resolución y aportando todo su conocimiento que habrá de ser
absorbido por el sistema.
3.6 Aplicación de la ingeniería concurrente en el diseño de moldes.
El diseño de un molde de inyección de plástico, comienza como consecuencia de la
identificación de la necesidad de producir cierta pieza de plástico.
La aplicación del concepto de ingeniería concurrente en el diseño de un molde, comienza con la
integración de todas las actividades que se realizan en el desarrollo del diseño, así como de los
recursos y aplicaciones utilizadas en el mismo, asegurando que se realiza un mejor producto.
Todo lo anterior, es posible logrando una integración de la información, para poder ser
intercambiada y compartida entre las distintas áreas involucradas en el desarrollo del molde,
siendo esto viable gracias a los avances tecnológicos presentes en redes y equipos de cómputo
indispensables en la ingeniería concurrente [17].
El intercambio correcto de la información dentro del ciclo productivo, origina que el personal
involucrado en el diseño del molde de inyección, este informado de cualquier cambio pequeño
que se realice durante la fase de concepto del producto de plástico pudiéndose incorporar
inmediatamente a la fase de diseño, logrando con ello realizar la mayor cantidad de cambios en
el diseño, cuando este está todavía en una fase temprana, evitando las molestas y repetidas
vueltas hacia atrás como sucede en la ingeniería lineal.
Para llevar a cabo una integración real de la información, se debe detectar primero los
diferentes sectores que se ven involucrados en el diseño y fabricación de un producto plástico
nuevo que trae como consecuencia el diseño.
La gama de empresas que integran la cadena productiva, para la obtención de una pieza de
plástico [16], desde la detección de la necesidad hasta la obtención del producto se ve
representada en la figura 3.2.
25

45. Figura 3.2 Cadena productiva.
Para cada empresa existen diferentes funciones y responsabilidades, dentro de cada una de las
etapas del proceso de diseño y producción de piezas de plástico, las relaciones normales entre
estas empresas por consecuencia de la ingeniería concurrente se ve mejorada, ya que los
tiempos de respuesta y los costos deben son reducidos, esto involucra el correcto intercambio
de información entre ellas y en el interior de las mismas.
Los objetivos de las empresas dentro de la cadena productiva [18] son los siguientes:
La empresa cliente: Tiene como objetivo principal: la definición producto, geometría, material,
análisis estructural.
La industria de la transformación: Tiene como objetivo principal: el diseño CAD de la pieza
, subcontrata diseño y fabricación del molde, probar el molde, la selección de los parámetros de
procesado del material, fabrica la pieza.
El proveedor del material plástico: Tiene como objetivo principal: la definición y selección del
material más adecuado de acuerdo a las características de la pieza, análisis reológico,
suministro de material.
El moldista: Diseño y fabricación del molde y el análisis reológico.
La ingeniería externa: Apoya al diseño de la pieza y el molde.
Siendo indispensable para las empresas fabricantes de moldes, ingeniería externa y de la
transformación tomar en cuenta la “voz del cliente”, con el objetivo de cuidar cumplir con las
expectativas de la empresa cliente.
A continuación se presenta el intercambio de información consecuencia de la interacción de las
empresas que intervienen en el proceso de desarrollo de una pieza de plástico [17]. Figura 3.3
26

46. Figura 3.3 Información fundamental general.
En base al diagrama de información anterior y aplicando la ingeniería concurrente se
desarrollan los sudmodelos de información para la fabricación de moldes de inyección de
plásticos [18].
1.- Modelo funcional general: Representa las funciones o actividades principales que tienen
lugar en el diseño y fabricación de piezas de plástico inyectado, así como el flujo de información
entre ellas desde un punto de vista general. Este modelo es presentado en la figura 3.4.
2.- Sub modelos funcionales:
2.1) Sub modelo funcional para el cliente (fabricante del producto donde se insertará la pieza de
plástico).
2.2) Sub modelo funcional para el transformador (empresa encargada de inyectar).
2.3) Sub modelo funcional para el moldista (empresa encargada de realizar el molde) Este
modelo es presentado en la figura 3.5.
27

47. Figura 3.4 Información general.
Figura 3.5 Actividad diseñar el molde.
28

48. 3.- Modelo de información de ingeniería concurrente: A partir de los submodelos funcionales
anteriores, se identifican las actividades que pueden realizarse de forma simultánea, cuáles se
pueden adelantar en el proceso productivo, qué unidades de información son necesarias, cuál
es la interacción entre los diversos agentes para lograr esto y demás.
Para las empresas encuadradas en el sector de la fabricación de piezas de plástico está
información está relacionada con cuatro áreas fundamentales [17]:
1. Diseño de producto.
2. Materiales.
3. Diseño y fabricación de moldes.
4. Fabricación e inspección de piezas.
Hay que destacar el flujo de información que existe entre la actividad de diseñar la pieza y
diseñar el molde.
La interacción que se tiene entre estas cuatro áreas fundamentales, involucra la aplicación de
métodos basados en la ingeniería concurrente, que se basan en cinco acciones fundamentales
[17]:
1. Trabajo en equipos multidisciplinarios con participación de proveedores.
2. Especificación de detalle del producto, desde el punto de vista de ingeniería, a partir de
los términos definidos por el cliente.
3. Especificación de los parámetros que permiten asegurar la optimización de la calidad del
producto.
4. Optimización del diseño del producto, teniendo presente todos los aspectos que afectan
a su ciclo de vida: funcionalidad, fabricación, montaje, mantenimiento, servicio, reciclaje,
retirada, etc.
5. Desarrollo simultáneo del producto, equipo de fabricación, procesos, control de calidad y
marketing.
Se puede observar, como en el entorno de ingeniería concurrente, los diversos agentes que
aparecen a lo largo del ciclo de vida del producto, interaccionan entre sí de forma continua,
ya sea intercambiando información o trabajando en equipos multidisciplinarios. Esto permite
tener en consideración, de forma simultánea, los diferentes puntos de vista que tienen
dichos agentes sobre el producto y, por lo tanto, adelantar información correspondiente a
etapas posteriores del ciclo de vida para prever posibles consecuencias de las decisiones
tomadas en etapas anteriores.
3.7 El intercambio de información durante la etapa de diseño.
Durante la etapa de diseño de un molde, el intercambio de información dentro de la empresa
encargada de desarrollar el molde sigue el esquema desarrollado en la cadena productiva.
29

49. En la figura 3.4 se observa que para llevar la tarea de diseñar el molde, comienza con la
siguiente información:
1. Petición de oferta de diseño y fabricación de molde.
2. Petición de diseño y fabricación de molde.
3. Requerimientos del cliente.
4. Información de pieza.
5. Requerimientos del transformador.
6. Información de transformación.
La información es proveniente de las empresas que están involucradas en el proceso
productivo, y está ordenada de la siguiente manera:
La empresa cliente: Proporciona los requerimientos del cliente, realiza la petición de diseño y
fabricación de molde, así como la petición de oferta de diseño y fabricación de molde.
La industria de la transformación: Proporciona los requerimientos del transformador y la
información de la transformación.
La ingeniería externa: Proporciona la información de la pieza.
Dentro de la ingeniería concurrente es importante saber a que se refiere cada uno de los datos
de información, para conformar una base de datos en base a la diversidad de información que
fluye.
30

50. Capítulo IV
Aplicación de la ingeniería concurrente
en el proceso de diseño de un molde de
inyección de plástico.
31

51. 4.1 Información de la pieza.
Para el diseño de un molde es indispensable conocer las características de las pieza que se
piensa procesar, las más importantes son:
1. Geometría.
2. Material.
3. Peso.
4. Volumen.
La geometría de una pieza de plástico se proporciona generalmente a través de un plano.
El uso de la tecnología CAD para el diseño de la pieza en el entorno de la ingeniería
concurrente, es indispensable. El diseño lo lleva a cabo generalmente la empresa cliente o el
servicio de ingeniería externa, en el archivo CAD es necesario que aparezcan las
características a detalle de la pieza a inyectar, tomando en cuenta las recomendaciones de
diseño para el proceso de moldeo por inyección.
En la selección del material de fabricación de la pieza plástica se deben considerar algunos
factores que involucran: la funcionalidad, la calidad, la economía de la pieza, pero
principalmente se debe considerar si se debe cumplir alguna norma por cuestiones de uso del
producto, si esto es así, se debe emplear el material que indique la norma.
Conociendo el material de la pieza a fabricar y la geometría, se puede determinar el volumen y
el peso de la pieza a inyectar.
4.2 Requerimientos del transformador.
El transformador, tiene algunos requerimientos que debe proporcionar al diseñador del molde,
la información básica que debe entregar es en torno al modelo de la máquina que llevará a cabo
la tarea de inyección de la pieza, las características principales de una máquina de inyección
están dadas por la unidad de inyección y por la unidad de cierre.
En el caso de la unidad de cierre las principales características son [8]:
1. Fuerza de cierre.
2. Altura máxima del molde.
3. Carrera de apertura.
4. Espacio entre barras.
En el caso de la unidad de inyección las principales características son
1. Diámetro del husillo.
2. Volumen a inyectar.
3. Presión de inyección.
4. Relación L/D.
5. Velocidad máxima del husillo.
6. Velocidad de inyección.
7. Capacidad de plastificación.
Estas características, son esenciales para comenzar el diseño de un molde de inyección.
32

52. 4.2.1 Información de transformación.
La información de la transformación está comprendida principalmente por, el número deseado
de piezas a producir en un ciclo de operación por la máquina de inyección, este estudio debe
estar basado en un estudio económico previo a la fabricación del molde.
4.3 Diseño del molde.
Está actividad está dentro del ciclo productivo de una pieza de plástico, implica el diseño,
fabricación y evaluación del molde que se va a emplear en la fabricación de la pieza.
Como entrada a está actividad (figura 3.4), resaltan la petición de oferta de diseño y fabricación
del molde así como, la petición de diseño y fabricación del molde. Hay que establecer está
distinción ya que el fabricante del producto ó el transformador de la pieza de plástico, puede
encargar el estudio del molde (con la correspondiente oferta) a un moldista en particular y
subcontratar posteriormente el diseño y fabricación a otro moldista diferente.
Desde el punto de vista de la información básica para diseñar un molde hace falta
fundamentalmente la geometría y las características de la pieza a obtener bajo las condiciones
de transformación de la misma.
En la actividad de diseñar el molde se incluye el diseño completo del molde teniendo en cuenta
la descripción de la pieza (material a fabricar, geometría, peso y volumen).
Está actividad se divide a su vez en tres actividades principales [17]:
1. Estudio previo del molde.
2. Anteproyecto del molde.
3. Proyecto del molde.
Estas tres actividades deben estar en constante comunicación con la actividad de fabricar el
molde, está información contiene las características suficientes que permitan fabricar el molde y
son generadas a partir de la información recibida.
4.3.1 Estudio previo del molde
Está información contiene [16]:
1. La verificación de la geometría de la pieza.
2. La realización del estudio de viabilidad de fabricación del molde.
3. La generación de una oferta para su diseño y construcción.
Se analiza la posible configuración del molde, pero desde un punto de vista conceptual, sin
entrar en detalle. El objetivo es iniciar está actividad una vez que la definición de la pieza sea
suficiente, para lo cual se define un estatus de nivel de definición geométrica de forma que
automáticamente se lanza dicha información hasta alcanzar el estado de diseño Previo.
Esto permite por tanto iniciar de forma paralela el diseño del molde, obteniéndose su
configuración general y estimando el coste de fabricación y el plazo de entrega.
33

53. 4.3.1.1 Verificación de la geometría de la pieza.
La verificación de la geometría de la pieza tiene como objetivo evaluar la posibilidad de
desmoldeo de la pieza, en base a sus características geométricas, el área de proyección, la
complejidad de fabricación del molde.
Existen diferentes recomendaciones para verificar si la geometría de una pieza diseñada es
correcta, las cuales son:
• Uso de radios y redondeos, para evitar concentración de esfuerzos.
• Espesor de la pieza uniforme, para evitar concentración de esfuerzos y contracciones
indeseadas.
• Mantener las distancias adecuadas si cuenta con orificios.
Algunas valores de estas características se representan en la tabla 4.1 y figura 4.1.
Tabla 4.1
Figura 4.1 Concentración de esfuerzos.
34

54. En el estudio de las líneas de partición y de los negativos, es importante encontrar el sentido y
el ángulo de desmolde que contenga el menor número de negativos y que estos sean lo más
fácil posible de desmoldar de una manera mecánica. Así se puede determinar que superficies
quedarán en el lado de expulsión y cuales quedarán en el lado de inyección para evitar marcas
no deseadas en algunas superficies, por lo regular el lado de la cavidad queda del lado de la
platina fija de la máquina.
4.3.1.2 Realización del estudio de viabilidad de fabricación del molde.
El estudio de viabilidad del molde consiste en tomar en consideración las características de la
pieza para una posible configuración del molde ya sea simple o múltiple.
4.3.1.3 Generación de una oferta para su diseño y construcción.
El precio de una pieza de plástico obtenida por el proceso de inyección de plástico, depende en
primer lugar, del número de piezas fabricadas y de la producción por hora. Así, el precio resulta
directamente proporcional al número de cavidades y al coste del molde para una máquina
determinada.
La figura 4.2 relaciona el costo de fabricación de un molde con un numero determinado de
cavidades, contra con el costo de producción de las piezas obtenidas [9], (los valores fueron
determinados empíricamente).
Figura 4.2 Curvas de costos para cavidades.
La variación en la economía de producción de piezas de plástico es determinada de la siguiente
manera:
Cuando el molde tiene pocas cavidades de inyección, los costos de fabricación del molde son
bajos, pero como consecuencia se tienen unos costos de producción altos (izquierda de la
figura), sucede lo contrario, con un molde de cavidades numeroso (derecha de la figura).
35

55. La decisión sobre el número de cavidades adecuado (económicamente) se sustenta
directamente en los volúmenes de producción y la toma de decisiones de fabricar un molde con
un determinado número de piezas
4.3.2 Anteproyecto del molde.
Está información contiene [16]:
1. Configuración que va a tener el molde.
2. Tipo de molde.
3. Número de cavidades.
4. Sistema de alimentación.
• Posición de la línea de partición.
• Tipo de sistema de inyección.
5. Extracción.
6. Refrigeración o enfriamiento.
Como es de suponer las acciones que se realizan son muy variadas y complejas durante la
ejecución y posterior a esta etapa, sé en listan realmente la cantidad de factores que intervienen
en ella.
1. Análisis de la geometría de la pieza. Para realizar un proyecto de un molde se ha de
empezar estudiando su modelo y las líneas que lo definen.
2. Estudio de las líneas de partición y de los negativos. Será importante encontrar el sentido
y el ángulo de desmolde que contenga el menor número de negativos y que estos sean
lo más fácil posible de desmoldar de una manera mecánica.
3. Determinar que superficies quedarán en el lado de expulsión y cuales quedarán en el
lado de inyección para evitar marcas no deseadas en algunas superficies.
4. Determinar los mecanismos de expulsión. Calcular el ancho y la profundidad máxima que
tienen los negativos y poder así determinar las dimensiones de los mecanismos móviles
que contendrá el molde para extraerlos.
5. Definir el sistema de inyección. Es uno de los puntos más importantes debido a que
puede determinar el tipo de molde estándar a escoger.
6. Definir el sistema de expulsión que influye principalmente en el hecho de alojar la pieza
en el lado de expulsión del molde para poder ser extraída mediante expulsores.
7. Determinar el número de cavidades del molde (número de piezas que ha de realizar el
molde en cada inyectada), que es muy importante para determinar la producción
estimada.
8. Definir el circuito de refrigeración. Que en la mayoría de casos consiste en la
incorporación de un circuito de taladros en los postizos de la figura, en las correderas y
en aquellas placas que necesitan evacuación de calor.
36

56. Todas estas acciones implican una intensa colaboración entre todos los elementos del sistema.
Durante esta etapa no se llegan a determinar completamente las dimensiones geométricas,
tolerancias y materiales del molde, todos ellos se realizarán posteriormente en la actividad de
proyecto de molde.
El anteproyecto depende directamente de las características geométricas y tecnológicas de la
pieza, de la cuales se determinan las siguientes características:
Si el tipo de canal es frío o caliente; el tipo de entrada (anillo, punto o laminar); si el molde será
de dos placas, de mordazas, de extracción por segmentos o de tres placas, la línea de partición
del molde y las características de los insertos a emplear en la cavidad (material, número,
geometría aproximada, etc.).
Se determinarán también las características generales del sistema de inyección: del bebedero,
de los canales de alimentación y distribución, de las entradas y de los respiraderos; así como
del resto de los sistemas que conforman el molde.
Además, en función de criterios económicos se determinarán las siguientes características
relativas a las cavidades: número de cavidades a usar, según la oferta emitida en la actividad
(estudio previo del molde),
4.3.2.2 Selección del tipo de molde.
La complejidad en la selección del diseño de un molde depende directamente del análisis de la
geometría de la pieza, del número de cavidades, del sistema de expulsión de la pieza, del
circuito de refrigeración, del sistema de inyección, del estudio de las líneas de partición. En la
tabla 4.2 y 4.3, se pueden observar las diferentes versiones de diseño de un molde, se muestra
la designación de los moldes de acuerdo a sus funciones y de acuerdo al sistema de expulsión.
Es tarea del diseñador, elegir el tipo de molde que mejor cumpla con los requerimientos que la
pieza a moldear requiere.
Tabla. 4.2 Tipos de moldes.
Tabla 4.3 Tipos de moldes de acuerdo a su configuración.
37

57. 4.3.2.2 Determinación de la cantidad de cavidades del molde.
La determinación de la cantidad de cavidades del molde depende directamente de las
características siguientes: el material y la geometría, así como del modelo de la máquina a
utilizar, con ello se puede realizar una primera aproximación del número de cavidades que se
puede disponer en un molde.
Para iniciar el cálculo de una primera aproximación de la cantidad teórica de cavidades del
molde, se relaciona el volumen máximo que puede inyectar la máquina y volumen del artículo a
producir, con lo anterior se tiene [19]:
F1
Sv
Av …………………………………(4.1)
Donde:
Volumen máximo de inyección de la máquina = Sv (cm3
)
Volumen de la pieza + Mazarota = Av (cm3
)
Donde F1 representa la cantidad máxima de cavidades que el molde puede contener.
En una segunda aproximación se relaciona la capacidad de plastificación del cilindro inyector
con el número de inyecciones y el volumen del artículo:
38

58. Según ello, la cantidad máxima teórica de cavidades será:
F2
L
Z( ) Vc( )Z Vc ……………………………(4.2)
Donde:
Capacidad de plastificación = L (cm3
/min.)
Número de inyecciones por minuto = Z (z/min.)
Volumen de la pieza + mazarota = Ac (cm3
)
Cuando se utiliza F1 para dimensionar las cavidades de un molde, se consume cada vez el
volumen total de inyección de la máquina, así que F2 solo puede ser igual o menor a F1.
F2 ≤ F1
Donde F1 siempre es el valor teórico máximo, ya que se supone que sé esta inyectando el 100%
del volumen del plástico. Lo anterior no puede utilizarse en la práctica ya que no satisface ninguna
exigencia de calidad. Las máquinas de inyección de construcción moderna, en la practica tienen
un grado de aprovechamiento de 0.2 a 0.8 de ello se deduce, para F2,
F2 ≤ 0.8 F1
Sin embargo no conviene llegar a un valor inferior a F1 =0.4 F2, ya que de otro modo los tiempos
de permanencia se hacen muy largos y se puede contar con inexactitudes de dosificación.
Además para la determinación de F1 y F2 resulta conveniente en lugar de considerar el volumen
de la mazarota, se deba considerar el volumen total del sistema de plastificación.
4.3.2.2.1 Área proyectada y fuerza de cierre.
Las cantidades arrojadas en el inciso anterior, son cantidades que no demuestran físicamente
nada, es decir son estimaciones que consideran las características operativas de la máquina sin
considerar las dimensiones de la placa que alojara las cavidades.
Para poder estimar físicamente la cantidad de cavidades, originalmente se tiene que contar con la
distancia entre columnas de la platina fija de la máquina, que es dónde será montado el molde,
con lo anterior se tiene que estimar, si el número de cavidades estimado anteriormente es posible
ó no, en base al área proyectada.
El primer criterio para determinar el área proyectada se basa en la presión de inyección
recomendable para el material (figura 4.3), que nunca debe sobrepasar a la presión de inyección
de la máquina, como se ve en la figura 4.4, donde se puede observar que la fuerza de cierre se
opone a la presión de inyección y evita que se abra el molde, está fuerza no deber ser
sobrepasada, en el cálculo del área proyectada.
39

59. Figura 4.3 Distribución de áreas para el diseño de cavidades
Figura 4.4 Fuerzas que actúan en el proceso de inyección a presión.
El área máxima utilizable (área proyectada) es el área, de la cual se dispone para alojar las
cavidades y el sistema de alimentación, es una manera de estimar físicamente cuantas cavidades
caben en el molde y esta establecida por:
AREA_MAXIMA_UTILIZABLE
FUERZA_DE_CIERRE
PRESION_MAXIMA_DE_INYECCION…………. (4.3)
Una vez que se ha establecido el área máxima utilizable, se determina el número de cavidades
relacionando el área de la sección transversal de la pieza y la sección transversal del sistema
de alimentación.
El cálculo del número de cavidades se calcula multiplicando el número de piezas deseado por el
área calculada de la pieza, la formula es la siguiente [19]:
Número de piezas x área de la pieza = área total de las piezas.
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60. Por último falta considerar el área que ocupa el sistema de alimentación, para tener un cálculo
completo del área máxima requerida.
Para determinar una aproximación del área de sistema de alimentación (Mazarota, sección de
ataque y el canal de alimentación) se debe considera un 30% del área total de las piezas [19].
Área total de las piezas + área del sistema de alimentación < área máxima utilizable.
Con esta verificación se garantiza que la fuerza de cierre no será sobrepasada
Finalmente se debe considerar una distribución adecuada del número de cavidades calculadas y
del sistema de alimentación, procurando que la distribución este dentro del área efectiva de la
platina, y si esto no sucede se debe procurar diseñar de manera de no chocar con la barra guía.
En el proceso de diseño se recomienda usar la siguiente regla empírica para las presiones de
inyección dentro de la cavidad:
- Asumir una presión de 7.75kg/mm
2
para productos de plástico de pared delgada (tubos,
láminas, artículos del hogar, etc.)
- Asumir una presión de 3.1 a 4.6 kg/mm
2
para productos de plástico técnicos (engranes,
piezas automotrices, etc.)
Para garantizar la funcionalidad del número de cavidades se verifica lo anterior con cálculos que
involucren al peso y el rendimiento de plastificación de la máquina.
Los cálculos desarrollados para la determinación del número de cavidades del molde son solo
de aproximación, es decir en la realidad parte fundamental en la determinación del número total
de cavidades depende directamente de la cantidad estimada de producción, de los costos de
fabricación, de los costos de la materia prima, y por último de los costos de fabricación del
molde, ya que cuando el número de cavidades aumenta, aumenta los costos de fabricación.
4.3.2.2.2 Cálculo del peso del producto.
El cálculo del peso del producto es una manera de garantizar que el número de cavidades
calculado es el correcto, esto se logra comparando el peso total de las piezas a inyectar con la
capacidad de plastificación.
Si se cuenta con una pieza física de muestra, la determinación del peso se puede hacer
directamente, llevando a cabo el peso de la pieza en una báscula, si no se cuenta con una
pieza física se procede a calcularlo con el volumen que ocupa y la densidad del material a
utilizar, finalmente se suman los pesos de todas las cavidades calculadas.
Las características que se ven en la figura 4.5, demuestran los datos con los cuales es posible
calcular el peso total de las piezas a inyectar. El cálculo del sistema de alimentación se estima
sobre el 30% del peso total de las piezas a inyectar, la suma del peso de las piezas y del
sistema de alimentación no deben de ninguna manera sobrepasar la capacidad de inyección de
la máquina.
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61. Figura 4.5 Características de la pieza a fabricar.
4.3.2.2.3 Cálculo de la capacidad de plastificación.
El cálculo de la capacidad de plastificación [9] del material que será inyectado, ya sea en
términos de peso ó volumen, se lleva a cabo para poder compararla con la capacidad de
plastificación de la máquina seleccionada.
La capacidad de plastificación, indica la cantidad de material por inyección multiplicada por el
número de inyecciones por hora.
El tiempo estimado del ciclo son datos técnicos que se proporcionan según el tipo de material y
el espesor de la pieza a inyectar.
Al final de las operaciones se debe comparar la capacidad de plastificación calculada, con la
capacidad de plastificación de la máquina, siempre debe ser mayor la de la máquina.
Capacidad de plastificación = (Volumen o peso de inyección) (Nc x hora)............(4.4)
El tiempo estimado del ciclo de operación = Nc
Número de ciclos por hora = Nc x hora
4.3.2.2.4 Cálculo de la capacidad de inyección.
Dentro de las características técnicas de la máquina, está incluida la capacidad de inyección en
unidades de gramos ú onzas, y está representa la cantidad de materia que se puede inyectar
por cada ciclo de operación, el cálculo de la capacidad de inyección de la máquina está
determinado por la suma de los pesos.
En está parte se debe verificar que la capacidad de inyección de la máquina sea mayor a la
calculada para el molde [19].
El tiempo de inyección es calculado en base a la capacidad de inyección de la máquina y al
peso y es como se indica:
Ti= (P/CI)……………………………….. (4.5)
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62. Donde:
Ti = Tiempo de inyección en segundos
P = Peso Total.
CI = Capacidad de inyección
4.3.2.3 Sistema de alimentación (llenado).
4.3.2.3.1 Funciones y componentes.
El sistema de alimentación tiene por objeto recibir la masa de moldeo fundida, procedente del
cilindro de plastificación y dirigirla a la cavidad del molde [20]. Como se ve en la figura 4.6, el
sistema de alimentación esta constituido por:
1) Cono del bebedero (mazarota, canal de entrada).
2) Canal de alimentación (araña, repartidor, distribución).
3) Sección de ataque.
Figura 4.6 Sistema de llenado.
1) El cono de bebedero tiene la función de recoger la masa plástica directamente del cilindro de
plastificación y dirigirla hacia el plano de partición del molde. Si bien este canal de entrada varía
según las normas de trabajo, generalmente tiene forma cónica para facilitar el desmoldeo [6].
2) El canal de alimentación es la parte del sistema de llenado que en los moldes múltiples, une
las cavidades con el bebedero. Este conjunto del sistema se llama muchas veces araña ó
repartidor de colada.
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