1. Análisis térmico de la inyección
Variación de las temperaturas en el ciclo
Juan de Juanes Márquez Sevillano
Diseño y Transformación de Plásticos
2. Interés del control de temperatura del molde
Una de los parámetros más importantes a controlar
durante la inyección es la evolución de la temperatura de
la masa y del molde.
Un ajuste correcto de la evolución de la temperatura
permite:
Reducir los costes de las piezas.
Conseguir contracciones uniformes.
Obtener la calidad superficial de la pieza exigida.
Alcanzar las características mecánicas adecuadas en todas
las partes de la pieza.
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3. Temperatura del molde
La temperatura del molde se refiere a la temperatura de
las paredes del molde.
Es un parámetro sobre el que puede actuarse durante el
proceso y que debe ser tenido en cuenta en el diseño
del molde al diseñar el sistema de enfriamiento.
Los objetivos que debemos considerar en el diseño del
sistema de enfriamiento son:
La temperatura media del molde debe mantenerse en un
rango lo más reducido como sea posible.
La temperatura debe ser lo más uniforme como sea
posible a lo largo de todos los puntos del molde.
El tiempo de ciclo debe ser lo más corto como sea posible.
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4. Variación de la temperatura del molde
La temperatura del molde en un punto determinado varía a lo
largo del ciclo de inyección.
Inyección Desmoldeo
ϑWE = Temperatura desmoldeo
ϑW = Temperatura molde
tciclo= Tiempo de ciclo
El sistema de enfriamiento influye en la variación de la
temperatura.
La temperatura desciende más rápidamente después del
desmoldeo (molde abierto).
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5. Variación de la temperatura del molde
La temperatura máxima es función de la permeabilidad
térmica:
ϑwmin = temperatura mínima
ϑM = temperatura masa
b .ϑ + bM .ϑM bW= permeabilidad molde
ϑW max = w W min b = ρ .λ.c bM = permeabilidad polímero
bW + bM
ρ= densidad
λ= conductividad térmica
Material Permeabilidad c= calor específico
W s1/2 m -2 deg -1
Berilio (BeCu 25) 17,2-103
Acero no aleado (C 45 W 3) 13,8-103
Acero al cromo (X 40 Cr 13) 11,7-103
Polietileno (PE-HD) 0,99-103
Poliestileno (PS) 0,57-103
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6. Variación de la temperatura del molde
La amplitud de la fluctuación es menor en el interior de
las paredes del molde (sensores de temperatura).
Tiempo
Distancia del termopar
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7. Tiempo de enfriamiento
El enfriamiento comienza en la fase de llenado, aunque la mayor
parte del calor extraído se produce a partir de esta fase
El llenado del molde es un proceso bastante isotermo debido al
aporte de energía debido al rozamiento interno de la masa
El tiempo de enfriamiento se puede estimar aproximadamente a
través de las ecuaciones siguientes aplicadas a cada parte de la
pieza
Si el enfriamiento se realiza muy rápido las desviaciones que se
obtienen son elevadas. Por ello se recomienda que el número de
Fourier sea mayor de 0,05
t = tiempo de enfriamiento estimado
t .a a = difusividad térmica
> 0.05 (mejor > 0,1) x = espesor de pared s o radio r en
x 2
cilíndros largos
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8. Temperaturas de proceso
En el momento de desmoldeo el perfil de temperatura en
las paredes de la pieza es según se presenta en la figura
Termoplástico Temperatura Temperatura Temperatura de
Molde °C Masa °C desmoldeo °C
Apec HT (PC-HT) 100-150 310-340 150
Bayblend (PC+ABS) (55)1) 70-100 240-280 110
Desmopan (TPU) 20-50 190-245 50-70
Durethan A (PA 66) (60)1) 80-100 275-295 110
Durethan AKV (PA 66), GF) (60)1) 80-120 280-300 140
Durethan B (PA 6) (60)1) 80-100 260-280 100
Durethan BKV (PA 6, GF) (60)1) 80-120 270-290 130
Makrolon (PC) (>65)1) 80-100 280-320 <140
Makrolon (PC, GF) (>65)1) 80-130 310-330 <150
Novodur ABS (>45)1) 60-80 220-260 80-100
Lustran ABS (>45)1) 60-80 220-260 80-100
Lustran SAn 50-80 230-260 80-95
Pocan (PBT) (>60)1) 80-100 250-270 <140
Pocan (PBT, GF)) (>60)1) 80-100 250-270 <150
Triax (ABS + PA) 80-100 250-270 90-100
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9. Parámetros en el tiempo de enfriamiento
Tiempo de enfriamiento
Tiempo de enfriamiento
Espesor de pared Temperatura desmoldeo
Tiempo de enfriamiento
Tiempo de enfriamiento
Temperatura molde Temperatura masa
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10. Parámetros en el tiempo de enfriamiento
En resumen:
Las paredes deben ser lo más delgadas como sea posible.
Las temperaturas de desmoldeo lo más alta como sea
posible.
Temperatura del molde razonable.
La temperatura de la masa debe ser la adecuada para
obtener una fluidez correcta.
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11. Balance térmico del molde
El objetivo es establecer la cantidad de energía calorífica
a extraer del molde durante el ciclo de inyección.
•Flujo térmico del polímero inyectado QF
•Flujo por conducción desde la unidad
de inyección QH
•Flujo por conducción a la inyectora QL
•Flujo por convección al ambiente QK
•Flujo por radiación al ambiente QStr
•Flujo extraído por el sistema de
refrigeración QTM
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12. Energía térmica del polímero
La energía térmica aportada por el polímero en la
inyección es
Entalpía específica
.
m.Δh
QF =
t
Temperatura
Amorfos
m = Masa del polímero
Δh= Incremento de entalpía
t = Tiempo del ciclo
Entalpía específica
Temperatura
Semicristalinos
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13. Flujos de convección en el molde
Las pérdidas de calor por convección sigue la ley de
Newton: A = Superficie lateral
. S
α = Coeficiente de convección natural del aire.
Q K = AS .α L (ϑWA − ϑU )
L
8W/m2.grado
ϑWA= Temperatura de la superficie exterior del
molde
ϑU = Temperatura ambiente
La temperatura exterior del molde es difícil de
estimar, pero existe una correlación estrecha con la
temperatura media del circuito de enfriamiento.
Acero aleado
Acero no aleado
Berilio-cobre
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14. Flujos de convección en el molde
Las pérdidas con el molde abierto son:
toff
ATR .α L (ϑWA − ϑU ).
ATR = Superficie de partición
toff = Tiempo de apertura del molde
tciclo tciclo= Tiempo de ciclo
El flujo total por convección será:
. ⎛ ATR .toff ⎞
Q K = α L (ϑWA − ϑU ).⎜ As +
⎜ ⎟
⎟
⎝ tciclo ⎠
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15. Flujos de radiación en el molde
Las pérdidas por radiación son más reducidas que las de
convección (25% de las de convección a temperaturas
del molde superiores a 90ºC).
Las pérdidas por radiación siguen la ley de Stefan-
Boltzmann:
. ⎡⎛ TWA ⎞ 4 ⎛ TU ⎞ 4 ⎤
Q str = AS .ε .CS ⎢⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⎥
⎢⎝
⎣ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥ ⎦
n
ció
ec
nv
Co
As= Superficie de radiación
ε = Factor de emisión
0,25 para acero brillante
n
0,8 para moldes usados ció
dia
Ra
CS= Coeficiente de radicación cuerpo negro
TWA= Temperatura absoluta molde
TU= Temperatura absoluta ambiente
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16. Flujos de conducción en el molde
Los flujos de calor por conducción se establecen entre el
molde y los platos de la máquina.
.
Q L = AA .β (ϑ WA − ϑU ) AA= Superficies de las placas del molde
β = Coeficiente de transmisión
En el caso de colocar aislantes el coeficiente de
conducción será:
λ = Conductividad del molde
β W
β = λisol= Conductividad aislante
isol
S isol . λ W
1+ Sisol= Espesor aislante
I F . λ isol IF= Espesor molde
β Acero Acero Aleación
W
aleado Cobre λisol ≈ 0.7
W m .K
98 84 116
m .grado
2
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17. Circuito de enfriamiento
La temperatura entre el polímero y los canales de enfriamiento
varía cualitativamente como se observa en la figura.
Canal de
enfriamiento Polímero
Δθ1= Incremento de temperatura por
conducción (negativo)
Δθ2= Incremento de temperatura por
transmisión
Para conseguir una buena uniformidad en los flujos térmicos es
aconsejable que el salto térmico no sea mayor de 30ºC
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18. Circuito de enfriamiento
Influencia de la conductividad del
material del molde.
Cobre-berilio
Acero al cromo
Los incrementos de temperatura por
transmisión pueden ser positivos en los
canales
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19. Posición de los canales de enfriamiento
El objetivo es obtener un enfriamiento uniforme.
En componentes de precisión el enfriamiento debe
pensarse en la fase de diseño conceptual del molde.
El canal ideal sería el que aparece en la figura a, pero
por rigidez puede ser más adecuado los canales que
aparecen en la figura b.
a b
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20. Posición de los canales de enfriamiento
La posición relativa de los canales da lugar a variaciones
de la temperatura en la superficie del molde
Se recomienda que la variación de temperatura no sea
mayor de :
2,5 a 5% en los polímeros semicristalinos.
5 a 10% en los polímeros amorfos.
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22. Circuitos de enfriamiento
Circuitos de refrigeración interiores para núcleos
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23. Análisis numérico
Distribución temperaturas en el momento de desmoldeo
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24. Variación de la temperatura del molde
La evolución de la temperatura cuando la masa caliente contacta
con el molde frío es cualitativamente la siguiente.
Molde Polímero
Punto de medida
temperatura
Esta evolución depende de las propiedades térmicas del material del
molde y del polímero.
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25. Tiempo de enfriamiento
El grado de enfriamiento es:
Geometría Condiciones contorno Ecuación
Plano
Cilindro
Cilindro
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26. Tiempo de enfriamiento
Cubo
Esfera
Cilindro hueco
Con
Cilindro hueco
Con
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27. Tiempo de enfriamiento
La difusividad térmica para diferentes polímeros:
Difusividad
Difusividad
Temperatura del molde Temperatura del molde
Polímeros amorfos Polímeros semicristalinos
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28. Parámetros en el tiempo de enfriamiento
Smax 2 ⎛4 ⎞ TM − TW
tK = ln⎜ .θ ⎟ θ=
π 2aeff ⎝π ⎠ TE − TW
Tiempo de enfriamiento
Tiempo de enfriamiento
Espesor de pared Temperatura desmoldeo
Tiempo de enfriamiento
Tiempo de enfriamiento
Temperatura molde Temperatura masa
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30. Posición de los canales de enfriamiento
La posición relativa de los canales da lugar a variaciones
de la temperatura en la superficie del molde
Se recomienda que la variación de temperatura no sea
mayor de :
2,5 a 5% en los polímeros semicristalinos.
5 a 10% en los polímeros amorfos. __
j
⎛ B⎞
⎛ B ⎞ 2.8 In⎜ ⎟ α ⋅D ΔϑWIj =ϑW ⋅
j = 2.4⋅ Bi 0.22
⋅ ⎜ ⎟ ⎝C⎠ Bi = TM KK 100 %
⎝C ⎠ λW
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