Experimentos Factoriales en procesos, introducción (Parte 2 de 2)

En el diseño de experimentos DOE en inyección de plástico, los parámetros o factores que se podrían utilizar son:

1. Temperatura de la unidad de inyección o de la masa
2. Temperatura del molde
3. Velocidad de inyección
4. Presión de inyección
5. Presión de empaquetamiento o pack pressure
6. Tiempo de empaquetamiento o pack presure time
7. Presión de compactación o hold pressure
8. Tiempo de compactación o hold pressure time
9. Velocidad de giro de husillo
10. Contrapresión a la carga
11. Tiempo de enfriamiento
12. Dosis
13. Punto de conmutación.

Todos ellos son susceptibles de ser utilizados como factores en los estudios o diseños de experimentos.

No obstante se podrían destacar alguno de estos puntos como los más utilizados, por ejemplo:

1. Temperatura de masa
2. Tiempo de llenado o velocidad de inyección
3. Pack y Hold pressure o presión de empaquetado y mantenimiento
4. Tiempo de postpresión
5. Temperatura de molde

Si por ejemplo seleccionamos 3 de estos factores para un diseño de experimentos, y les aplicamos dos niveles (alto, bajo) serían 8 experimentos a realizar (2 elevado a 3).

Los factores más utilizados son:

1. Temperatura de masa
2. Velocidad de inyección (tiempo de llenado)
3. Pack y Hold pressure o presión de empaquetado y mantenimiento
4. Tiempo de postpresión
5. Temperatura de molde

Temperatura de la masa

Aquí escogeremos dentro del rango que el fabricante del polímero nos recomienda, valores en la banda baja para grandes espesores y poco recorrido de flujo, por el contrario valores en la banda alta para paredes delgadas y/o grandes recorridos del material.

Velocidad de inyección (tiempo de llenado)

La velocidad de inyección será seleccionada dentro del rango de valores obtenidos en el ensayo de la viscosidad relativa o In mould rheology. Valores en la parte más plana de la curva pero cercanos al codo serán los seleccionados como niveles alto y bajo para este factor de velocidad de inyección. El tiempo de inyección será pues una consecuencia de estos valores seleccionados.

Una vez seleccionados los dos niveles a ensayar de velocidad de inyección, es muy importante tener en cuenta que para aplicar el valor alto de velocidad de inyección seleccionado seguramente tendremos que modificar el punto de conmutación para asegurar que llenamos la cavidad en el mismo porcentaje (95-98%) que con la velocidad en el nivel bajo. Al acelerar la velocidad de inyección se producen inercias que hacen que el llenado con la velocidad más elevada sea mayor así como el pico de presión en cavidad. Si queremos obtener en el ensayo factorial la influencia de cada parámetro, no podemos hacer entrar más material con velocidad alta que con velocidad baja. Sería comparar valores diferentes.

Pack and hold pressure, presión de compactación

Los niveles de compactación se obtendrán de la realización del ensayo de la definición de la ventana de proceso con las temperaturas seleccionadas para este ensayo. Obtendremos así los valores mínimo y máximo de presión de compactación para las dos temperaturas seleccionadas.

Cómo proceder:

Realizar el ensayo de definición del tiempo de sellado de la entrada, una vez conocido el tiempo a partir del cual no aplicamos presión en cavidad, realizar a realizar compactación empezando con los valores de presión más bajos, obtendremos piezas incorrectas. Ir subiendo el nivel de presión de compactación hasta obtener piezas correctas. Será el nivel bajo a aplicar a este factor.

Seguidamente, seguir subiendo poco a poco el nivel de presión de compactación hasta que aparezcan síntomas de rebabas, marcas de expulsión, o cualquier síntoma de sobre presurización, bajar un poco la presión de este nivel, estaremos pues ante el nivel máximo de presión a aplicar a este factor en el ensayo factorial.

Tiempo de postpresión

El tiempo de postpresión será el tiempo durante el cual estaremos aplicando presión en la cavidad. Aquí vamos a definir medidas, pesos, acabados superficiales, posibles tensiones, etc.

Para determinar los niveles a utilizar en el experimento factorial debemos realizar el ensayo de determinación del tiempo de sellado de la entrada y seleccionar valores más allá del codo de la gráfica de pesos si queremos trabajar con las entradas selladas o seleccionar tiempos de la parte más vertical de la curva si queremos trabajar con las entadas abiertas.

Temperatura de molde

Aquí los niveles a aplicar deben estar dentro del rango recomendado por el fabricante del polímero.

Escogeremos valores de temperatura de molde en la banda alta recomendada cuando tengamos paredes delgadas, largos recorrido de flujo, queramos obtener máxima cristalinidad, requerimientos de brillo y aspecto, etc. Por el contrario, escogeremos valores en la banda baja de la recomendación del fabricante cuando tengamos grandes espesores, cortos recorridos de flujo, baja cristalinidad, piezas más mate, etc.

1 Temperatura de masa

Normalmente niveles recomendados por el fabricante de material

2 Velocidad de inyección (tiempo de llenado)

Obtenidos de la curva de viscosidad relativa

3 Pack y Hold pressure o presión de empaquetado y mantenimiento

Obtenido de la ventana de proceso

4 Tiempo de postpresión

Obtenido del tiempo de sellado de la entrada

5 Temperatura de molde

Obtenido de las recomendaciones del fabricante de materia prima.

Para aplicar estos factores y niveles comentados es necesario realizar previamente:

• Ensayo de la viscosidad relativa para seleccionar las dos velocidades a aplicar
• Ensayo de la definición de la ventana de proceso para definir los dos niveles de postpresión a aplicar en las dos temperaturas seleccionadas
• Estudio del sellado de la entrada para determinar los dos niveles de tiempo de postpresión, pueden ensayarse con entradas cerradas o con entradas abiertas según interese.

Ejemplo de matriz de experimentos para tres factores y dos niveles:

Factores: Temperatura de molde – Temperatura de masa- Postpresión –

Niveles: Temperatura de molde ———- Nivel bajo 40 grados Nivel alto 80 grados

Temperatura de masa———- Nivel bajo 240 grados Nivel alto 260 grados

Postpresion ——————————- Nivel bajo 300 bares Nivel alto 800 bares.

José Ramón Lerma es autor del Libro Manual Avanzado de Inyección de Termoplástico, que tiene como objetivo ser, por un lado, una herramienta para la formación y, por otro, un manual de ayuda para todo el personal de una empresa de inyección de plásticos. El libro, comercializado por Plásticos Universales / Interempresas (libros@interempresas.net), consta de detallados casos prácticos, amplia información de moldeo científico y un ‘pendrive’ con 20 hojas de cálculo y herramientas de SC Molding o Scientific Injection Molding, además de optimización y definición de proceso, lo que lo hacen único en el mercado. Página web sobre Scientific Injection Molding: www.asimm.es