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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN

DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO

SIMULACIÓN POR ELEMENTO FINITO Y OPTIMIZACIÓN DE PARÁMETROS

DEL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO TPV PARA EL ENCAPSULADO

ING. OMAR ARTURO

Maestría en Ciencia y Tecnología con Especialidad en Sistemas de

SALTILLO, COAHUILA.


MATERIALES

DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO



DE VIDRIO AUTOMOTRIZ

POR

ING. OMAR ARTURO GARZA RAMOS

TESIS


Manufactura Avanzada

SALTILLO, COAHUILA. 1 DE MARZO DEL 2013

CCIIEENNTTEECCNN





1 DE MARZO DEL 2013

NNCCIIAA YY NNOOLLOOGGIIAA

Simulación por elemento finito y optimización de parámetros del proceso

de inyección de plástico TPV para el encapsulado de vidrio automotriz

Por

Omar Arturo Garza Ramos

Tesis

Presentada al programa Interinstitucional en Ciencia y Tecnología

Sede

Corporación Mexicana de Investigación en Materiales S.A de C.V

Como requisito parcial para obtener el Grado Académico de

Maestro en Ciencia y Tecnología con

Especialidad en Sistemas de Manufactura Avanzada

Programa Interinstitucional en Ciencia y Tecnología COMIMSA/CONACYT

Saltillo, Coahuila, 1 de Marzo del 2013

Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, S.A de C.V

Gerencia de Desarrollo Humano

División de Estudios de Posgrado

Los abajo firmantes, miembros del Comité Tutorial recomendamos que la Tesis “SIMULACIÓN POR ELEMENTO FINITO Y OPTIMIZACIÓN DE PARÁMETROS DEL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO TPV PARA EL ENCAPSULADO DE VIDRIO AUTOMOTRIZ”, realizada por el alumno OMAR ARTURO GARZA RAMOS matrícula 1106MA1073 sea aceptada para su defensa como Maestro en Ciencia y Tecnología con Especialidad en Sistemas de Manufactura Avanzada.

El Comité Tutorial

_________________________

Dr. Mauricio Alberto Garza Castañon

Tutor Académico

Director de Tesis

___________________________

Ing. Felipe Solís Oba

Tutor en Planta

___________________________

Vo. Bo

Dr. Felipe Arturo Reyes Valdés

Coordinación General de Estudios de Posgrado COMIMSA

Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, S.A de C.V

Gerencia de Desarrollo Humano

División de Estudios de Posgrado

Los abajo firmantes, miembros del Jurado de Examen de Grado del alumno, Omar Arturo Garza Ramos una vez leida y revisada la tesis titulada “SIMULACIÓN POR ELEMENTO FINITO Y OPTIMIZACIÓN DE PARÁMETROS DEL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO TPV PARA EL ENCAPSULADO DE VIDRIO AUTOMOTRIZ”, aceptamos que la referida tesis revisada y corregida sea presentada por el alumno para aspirar al grado de Maestro en Ciencia y Tecnologia con Especialidad en Sistemas de Manufactura Avanzada durante el Examen de Grado correspondiente.

Y para que así conste firmamos la presente al 1 día del mes de marzo del año 2013

Dr. Oxana Dr. Santos Morales

Presidenta Secretario

Dr. Mauricio Alberto Garza Castañon

Vocal

DEDICATORIA

Primeramente a Dios por darme la fortaleza para seguir adelante y por darme la

serenidad cuando la necesité en los momentos difíciles.

A mi Mamá Rosa María Ramos Lara porque siempre estuvo detrás de mí para

terminar una licenciatura y posteriormente darme los ánimos para iniciar la

Maestría; a mí Papá Oscar Garza Castañon por ser quién es, y darme los motivos

para terminar esta etapa de mi vida, y a ambos por ayudarme a levantar y tener la

frente en alto cuando caí en las pruebas de la vida.

A mi Esposa Karla Torres Leal porque sin saber que nos esperaba en esta

aventura estuvo a mi lado, por su valentía y entrega en esta dura y buena etapa

de mi vida.

A mi Hijo Omar Alexander por ser esa persona que va a recibir mis triunfos y

darme esa alegría cuando más la necesitaba.

A mis Abuelos, Don Macario Garza Cardenas (QEPD) y a Doña Benita Castañon

porque una vez me dijo que esperaría a que terminara mis estudios.

A mis Hermanos Rossy, Oscar, Claudia por todo el apoyo moral e incondicional

que me brindaron.

A mi familia completa por su apoyo incondicional, a Blanca Leal por su apoyo.

AGRADECIMIENTOS

A mi tutor el Dr. Mauricio Garza Castañon por conducirme y ayudarme en la

formación tanto profesional así como personal, por su gran apoyo y sus consejos a

lo largo de esta etapa.

Al Dr. Giovanni Lizárraga por su gran aporte en esta tesis.

Al Dr. Pedro Pérez y a Marco Jiménez, Rolando Praga, y a David porque siempre

pude contar con ellos como Profesores y Amigos.

Al Dr. Luis Garza Castañon por su invaluable tiempo y consejos para la formación

de la tesis.

Al Ing. Francisco Rodríguez Abrego por sus consejos

Y También quiero agradecer a mis Amigos que de alguna manera formaron parte

de esta etapa de mi vida: José Luis, Poncho, Fide, Xavier, Karla, Ezequiel, Flor,

Juan, Viry.

Al CONACyT y COMIMSA por la beca otorgada para lograr este momento.

.

AUTOBIOGRAFÍA

Omar Arturo Garza Ramos nació el 06 de Julio de 1985 en la ciudad de Monclova,

Coahuila, del año 2007 al 2010 cursó sus estudios superiores en el Centro de

Estudios Universitarios obteniendo el título de Ingeniero Mecánico Electricista.

Ha tomado cursos de programación de manipuladores Robóticos, CNC, diseño y

simulación por parte COMIMSA, además de un diplomado de Moldeo por

inyección de plásticos impartido por el CIQA. Realizó la publicación en memoria de

un artículo de investigación en el Congreso Internacional de Ingeniería Mecánica e

Ingeniería Mecatrónica realizado en la ciudad de Hermosillo, Sonora en octubre

del 2011.

Sus áreas de investigación abordan el procesamiento de materiales plásticos,

diseño y simulación por elemento finito de procesos de inyección de plásticos.

RESUMEN

En este trabajo de investigación se presenta el estudio realizado a el proceso de

inyección de plástico desde su propiedades reologicas y el cómo estas pueden

afectar la calidad de la parte moldeada, hasta la simulación por elemento finito,

demostrando que el uso de los programas computacionales en la industria

manufacturera de plásticos estos son muy útiles para identificar defectos de

calidad, además de poder corregir a tiempo futuros problemas de calidad.

Además se presentan el funcionamiento del proceso y sus variables de mayor

impacto en el defecto de calidad analizado en la presente tesis con la finalidad de

disminuir el porcentaje de piezas defectuosas en el proceso.

ÍNDICE

CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN………………………………………………….…….1

1.1.- Prologo……………………………………………………………..…………1

1.2.- Descripción del problema...………………………………….……………..1

1.2.1.- Justificación………………………………………………………..2

1.2.2.- Preguntas de Investigación……………………………………....3

1.2.3.- Hipótesis……………………………………………………………3

1.2.4.- Objetivos……………………………………………………………4

1.2.5.- Delimitaciones……………………………………………………..4

1.3.- Impacto de la Investigación………………………………………………...5

1.4.- Publicaciones………………………………………………………………...6

CAPÍTULO II.- ESTADO DEL ARTE………………………………………………..7

2.1.- Introducción…………………………………………………………………..7

2.2.- Simulación por elemento finito del proceso de inyección de plástico….7

2.3.- Métodos de Optimización……………………………...………………….10

2.4.- Conclusión………………………………….………………………………12

CAPÍTULO III.- MARCO TEÓRICO…………………………………………….....13

3.1.- Introducción…………………………………………………………………13

3.2.- Generalidades del Moldeo por inyección de plásticos…………………13

3.2.1 Materiales Plásticos……………………………………………….16

3.2.2.- TPV…………………………..……………………………………18

3.3.- Encapsulado de vidrio automotriz con TPV……..………………………20

3.4.- Índice de fluidez.....…………………………………………………..…….22

3.5.- Reometría Capilar….………………………………...……………………23

3.6.- Problemas en moldeo por inyección ………….…………………….…..25

3.6.-1 Rechupados y Huecos………...…………………………………25

3.7.- Simulación del proceso de inyección de plástico………………………27

3.7.1.- Modelos de elemento finito…………….……………………….30

3.7.2.- Discretización de la malla………………………...…….………33

CAPÍTULO IV.- MATERIALES Y MÉTODOS…………………………………….…34

4.1.- Introducción……………………………………………………......……….34

4.2.- Metodología...………………...…………………………………………….34

4.2.1.- Definición de parámetros que afectan la calidad de la

pieza…...............................................................................................36

4.2.2.- Relación defecto-causa-solución………………………………38

4.2.3.- Simulación por elemento finito del proceso de inyección de

plástico………………………………………………….…………………38

4.2.3.1.- Modificaciones al encapsulado original………….….39

4.2.3.2.- Procesamiento del modelo……………………………………40

4.2.3.3.- Selección del material…………………………………………41

4.2.3.4.- Parámetros de procesamiento en planta……………………45

4.2.3.5.- Análisis de la simulación……………………………………...46

4.2.3.5.1.- Análisis de llenado…………………………………………..46

4.2.3.5.2.- Temperatura de frente flujo………………………………...47

4.2.3.5.3.- Tiempo de expulsión de la pieza…………………………..48

4.2.4.- Validación del modelo de elemento finito……………………………..49

CAPÍTULO V.- CASO DE ESTUDIO Y RESULTADO……………………………….52

5.1.- Introducción…………………………………………………………………52

5.2.- Superficie de respuesta…………………………………………………...52

5.2.1.- Factores y niveles………………………………………………..54

5.2.2.- Diseño de la superficie de respuesta………………………….55

5.3.- Resultados del modelo de elemento finito en CAE…………………….58

5.3.1.- Simulación 1 ……………………………………………………...58

5.4.- Análisis del diseño central compuesto…………………………………..62

CAPÍTULO VI.- Conclusiones…………………………………………………………. 70

BILIOGRAFÍA…………………………………………………………………………….72

1

CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

1.1 Prólogo

En la presente tesis se abordan los puntos principales en los cuales se

desarrolló la simulación del proceso de inyección de plástico TPV, tomando como

caso de estudio el encapsulado de vidrio automotriz, así como los resultados

obtenidos para la optimización del proceso mismo, con la finalidad de disminuir los

defectos de calidad en el producto.

1.2 Descripción del Problema

Debido a que actualmente no se domina el proceso ni se cuenta con los

mejores parámetros de inyección de TPV, en el proceso de inyección de TPV

surgen continuamente problemas de defectos de calidad como el rechupe, que

tienen un fuerte impacto económico y en la relación con los clientes. En la mayoría

de los casos la mala calidad del producto puede ser detectada por inspección

visual antes de someterlo a su aplicación final.

2

1.2.1. Justificación

Los componentes plásticos de ingeniería regularmente son piezas de alta

precisión con tolerancias geométricas muy cerradas, con grandes diferencias de

espesor de pared, lo cual hace que su proceso de fabricación sea complejo; es por

esto que la optimización del proceso tiene cada vez mayor importancia.

Por lo que en la industria del procesamiento de plásticos se busca la

implementación de nuevos mecanismos y procedimientos para fabricar productos

de mejor calidad, y que al mismo tiempo reduzcan sus costos de producción e

impongan una tendencia en el ahorro de recursos.

Es por esto que en el presente trabajo se pretende establecer una

metodología de modelación y simulación confiable, donde se pueda modelar el

proceso de encapsulado de vidrio automotriz y estimar la calidad del producto

final, una vez obtenido un modelo de proceso válido, se pretende optimizar el

proceso real de inyección de un plástico TPV para el encapsulado de vidrio

automotriz con el fin de disminuir la cantidad de piezas defectuosas y desperdicio;

tomando en consideración el tiempo de ciclo de proceso.

Es importante mencionar que el presente trabajo se basa en un proceso

que actualmente está en producción, por lo que el tiempo de máquina, las horas

hombre, así como el desperdicio de material son de alto impacto en los objetivos

de la producción diaria. Por lo que de aquí la importancia de poder simular de

manera confiable el proceso.

3

1.2.2 Preguntas de Investigación

Para el desarrollo del presente trabajo se plantearon las siguientes preguntas

de investigación:

• ¿Cuáles son los parámetros de proceso adecuados que determinan e

influyen en una buena calidad del producto terminado?

• ¿Qué técnicas estadísticas se pueden se pueden utilizar para estimar los

parámetros de proceso óptimos?

• ¿En qué porcentaje es posible disminuir los defectos de calidad sin afectar

directamente el tiempo total de ciclo?

• ¿Qué parámetros de diseño se deben de observar y aplicar para diseñar

una parte con menos problemas de proceso y/o de fabricación?

1.2.3 Hipótesis

Mediante el uso e implementación de los simuladores CAE así como la

integración de metodologías para la optimización de parámetros como lo son las

técnicas estadísticas, es posible minimizar los problemas de los defectos de

calidad del encapsulado de vidrio automotriz, para la obtención de una buena

calidad final de los atributos requeridos del producto.

4

1.2.4 Objetivos

Objetivo general

Simular y Optimizar el proceso de inyección TPV para el encapsulado de

vidrio automotriz para encontrar los parámetros que determinan una buena calidad

del producto. Para llegar a determinar estos parámetros se proponen los

siguientes objetivos:

Objetivos específicos

� Determinar las variables que influyen en la calidad final del encapsulado de

vidrio automotriz.

� Modelación del encapsulado automotriz mediante el uso de sistemas CAE.

� Validación experimental del modelo obtenido.

� Aplicación de metodologías para la optimización del proceso.

� Validación experimental del modelo optimizado.

1.2.5 Delimitaciones

El objeto de estudio de la presente investigación se centra en el

encapsulado de vidrio automotriz con TPV, en donde se busca resolver los

problemas de defectos de calidad en producto terminado. Centrándose en la aleta

Peougeot.

5

1.3 Impacto de la investigación

Como principal contribución de la presente investigación, es incrementar el

conocimiento del proceso de inyección de TPV con el desarrollo de la metodología

propuesta, en donde se mostrará la experimentación con técnicas estadísticas

aplicadas en la resolución de problemas en el proceso de inyección de TPV, que

servirá para minimizar los problemas de calidad.

Para la parte experimental se contará con la ayuda de un paquete

computacional de elemento finito para la modelación y simulacion del proceso de

inyección de TPV para el encapsulado de vidrio automotriz.

Impacto Económico

Se espera que esta investigación cumpla con las expectativas que la

empresa Vitro Autotemplex tiene para resolver los problemas con los que

actualmente tiene en su línea de encapsulado automotriz. Esto será de gran

utilidad para la empresa ya que seguirá manteniendo altos niveles de calidad y

productividad lo cual se reflejara en mayor participación y posicionamiento en el

mercado.

Impacto Social/Ecológico

Con la ayuda de la presente investigación y al resolver el problema con el

que actualmente se cuenta, se lograra reducir la cantidad de productos con mala

calidad los cuales se van a desechos, ya que la empresa actualmente no cuenta

con un sistema o proceso de reciclado del material.

6

1.4 Publicaciones

Título de publicación: “Simulación 3D del proceso de inyección de plástico,

caso de estudio: Encapsulado de vidrio automotriz”.

Autores: O. Garza, M. Garza

Congreso: Congreso Internacional de Ingeniería Mecánica e Ingeniería

Mecatrónica

Lugar y Fecha: Hermosillo, Sonora, 24-28 de octubre del 2011

ISBN 978-1-4675-0275-7

7

CAPÍTULO II

ESTADO DEL ARTE

2.1 Introducción

En este capítulo se podrán encontrar un análisis de la literatura revisada para

la elaboración de la investigación en donde se encontraron y se estudiaron las

diversas publicaciones actuales relacionadas al tema de la inyección de plásticos,

simulación por elemento finito, así como algunas técnicas que se utilizan para la

optimización de los parámetros del proceso de inyección de plástico.

2.2 Simulación por elemento finito del proceso de inyección de plástico

En la actualidad las técnicas de simulación por elemento finito es usada en

diferentes campos de la industria manufacturera para realizar distintos análisis de

tipo estructural, de inyección de plástico, fluidos, térmicos, electromagnéticos [1],

por mencionar algunos, particularmente en la industria procesadora de plástico

juegan un papel de suma importancia ya que con la ayuda de estos es posible

determinar los parámetros óptimos de procesamiento.

La integración de tecnología CAD/CAE/CAM no solamente está referida a la

fabricación de componentes que incluye su trazo, maquinado y tratamientos

finales. La integración de estas tecnologías considera igualmente las

características del proceso como la complejidad de la geometría, los efectos de los

parámetros de proceso (temperatura de fundido, presión de inyección, presión

sostenida, tiempo de presión sostenida, tiempo de enfriamiento, etc.), patrones de

flujo de la pieza, defectos (punto de sujeción de la bandeja, bisagra de la tapa,

8

fragilidad), etc., de forma tal poder reducir los errores presentes durante la etapa

de diseño. (M.V Candal, 2005).

Aún y con la amplia gama de paquetes de simulación y que estos cada vez

son más comerciales y accesibles para el usuario, existe un gran desconocimiento

en la industria manufacturera de plástico, lo cual limita el desarrollo de nuevos

productos y optan por el viejo método de prueba y error [2].

En investigaciones realizadas por varios autores, estos programas de

simulación por elemento finito son usados en interacción con otras herramientas

para la optimización de procesos de manufactura. Entre estos se encuentran:

Diseño de experimentos (DOE), Superficie de Respuesta, Método Taguchi, Redes

Neuronales y Algoritmos Genéticos.

Resultados importantes relacionados con los defectos del proceso de

inyección de plástico como lo son: la contracción, rechupe, líneas de soldadura y

problemas durante el llenado, enfriamiento o etapa de compactación pueden ser

vistos en etapas previas a la producción en serie con la simulación, cuando

anteriormente solo eran visibles durante el momento de la inyección de las piezas

(Ko-Ta Chiang et al, 2007).

Granchi M et al 2007 hace uso de las herramientas CAE específicamente el

simulador Moldflow para obtener una base de datos con la cual ayudar al

proyectista a tomar mejores decisiones para el uso de los parámetros y polímeros

a utilizar en el proceso de inyección de plástico, muestra como el simulador es de

gran utilidad para la industria realizando una serie de experimentos

computacionales en donde el autor varía las dimensiones de la figura utilizada, así

como los parámetros utilizados en producción real, obteniendo como resultados

que con la ayuda de los simuladores es posible la reducción de tiempos y costos

ya que con estos se muestra con gran precisión el proceso de inyección de

plástico.

9

El programa de simulación, Moldflow, usa un método híbrido de elementos

finitos para resolver el problema de mecánica de fluidos y de diferencias finitas

para describir la transferencia de calor por convección forzada.

Los resultados experimentales permiten concluir que es posible predecir

con precisión el tiempo de inyección, la posición instantánea del frente de avance

de los polímeros y la ubicación de las líneas de intersección de fluido (Moraga

Benavides N et al, 2007).

Este autor en su publicación utiliza el simulador mencionado anteriormente

para modelar dos figuras geométricas con distintos modelos matemáticos para la

simulación de la viscosidad los cuales están incluidos en el Moldflow, los

resultados obtenidos en la simulación realizada por el autor son comparados con

resultados experimentales mostrando que efectivamente los resultados

conseguidos con el simulador son muy similares, permitiendo así mejorar el

proceso de fabricación de productos plásticos de elevada calidad y reducir los

costos de fabricación.

Otro autor que destaca y analiza el uso de estos programas de simulación

es D. Cardozo, quien en una publicación realizada mostró una amplia revisión del

estado del arte en la simulación del proceso de inyección de plástico en 3D,

definiendo y mostrando los diferentes modelos utilizados por estos, organizados

principalmente en tres categorías: midplane, dual-domain y solid(3D), utilizados

para representar la geometría. Así mismo expresa algunas de las ecuaciones

utilizadas por estos simuladores para representar y resolver matemáticamente las

propiedades físico-mecánico.

10

2.3.- Métodos de Optimización

En el 2007 Salcedo presenta la problemática que se resolvió en una empresa

manufacturera de electrodomésticos en donde implementó la metodología del

Moldeo Científico con el fin de mejorar y optimizar el sistema de manufactura que

se tiene en los procesos de inyección de plásticos.

El moldeo científico es una metodología que se divide en 6 etapas y que

además se basa en el personal que trabaja día a día en los procesos de inyección

de plásticos, dándole un enfoque científico-práctico, logrando así involucrar desde

un principio a la gente que finalmente será la que se quedará a trabajar en el

proceso modernizado.

Por otra parte Hasan Oktem (2006) menciona en su artículo la aplicación de la

técnica de optimización de Taguchi para reducir el problema de deformación,

asociados a la variación de la contracción durante la producción de componentes

plásticos. Una vez obtenidos estos parámetros realizó una serie de simulaciones

en el software Moldflow para validarlos, obteniendo como resultado una importante

mejoría, demostrando así que la técnica de Taguchi es una poderosa herramienta

para resolver problemas de alabeo y contracción y además que se puede

implementar para muchos otros problemas industriales.

Algunos autores integran técnicas estadísticas y de simulación por elemento

finito para obtener modelos y validarlos. En el 2009 Chih-Cherng Chen utilizo el

método de superficie de respuesta para determinar la relación de las variables de

entrada y las respuestas, el diseño central compuesto utilizado constaba de 30

corridas aleatorias las cuales fueron realizadas en su totalidad en el simulador

Moldflow, y en base a esto realizó su posterior análisis en el paquete Minitab para

observar cómo interactúan los parámetros con la contracción, además de

optimizar con la función de “desirability”.

11

Ko-Ta Chiang presenta una metodología para optimizar y reducir los defectos

de calidad en el proceso de inyección de plástico, obteniendo una significativa

reducción en los defectos de contracción y deformación; presenta una superficie

de respuesta con un diseño central compuesto en donde tiene una matriz con 30

corridas las cuales realizó de manera experimental para obtener un modelo

cuadrático y dar paso a optimizar con el modelo de optimización de aproximación

secuencial.

La determinación de los parámetros óptimos en el proceso de inyección de

plástico es un trabajo crítico que influye en la productividad, calidad y costos en la

producción del producto (Wen-Chin Chen, 2009). Este autor señala en su artículo

que los ingenieros han utilizado convencionalmente en los procesos de

manufactura el procedimiento de prueba y error o parámetros de Taguchi, para

determinar los parámetros óptimos del proceso; sin embargo, la aplicación de

estos métodos tiene algunas restricciones o es un poco menos eficaz que otros.

Él propone la integración del diseño de parámetros de Taguchi, redes

neuronales de retropropagación, algoritmos genéticos y conceptos de ingeniería

para encontrar los valores finales óptimos del proceso de inyección de plástico.

Los resultados de la investigación indican que el enfoque propuesto puede

efectivamente ayudar a los ingenieros a determinar una óptima configuración de

los parámetros de proceso y lograr ventajas competitivas de la calidad del

producto y los costos.

12

2.4 Conclusión

Una vez revisados diversos artículos afines a la investigación y en base a

los estudios que los autores realizaron en las área de inyección de plástico y

optimización de parámetros, se puede concluir que las metodologías más usadas

y por lo tanto las más acorde a esta investigación son las pruebas estadísticas

para verificar la linealidad o la no linealidad de las variables involucradas en lo

defectos de calidad a analizar en este proyecto, y pueden ser utilizadas para llegar

a encontrar los parámetros óptimos.

Así como también con la ayuda de los software CAE que son una gran

herramienta para llevar a cabo la parte de la simulación del proceso de inyección

de plástico y con esto obtener resultados muy precisos de la investigación.

13

CAPÍTULO III

MARCO TEÓRICO

3.1 Introducción

En este capítulo se presentan los temas del proceso de inyección de

plástico, resina TPV, el programa de simulación Moldflow, así como también una

breve descripción de lo que es el encapsulado de vidrio automotriz.

3.2 Generalidades del Moldeo por inyección de plásticos

A donde quiera que se dirija la mirada, hoy en día, en la casa, la oficina, la

industria, y en todos los aspectos de la vida moderna y cotidiana uno se encuentra

con artículos de plásticos moldeados por uno de los procesos de transformación

de plástico más usados en la actualidad. Estos tienen innumerables aplicaciones y

dada su alta procesabilidad, un muy buen desempeño.

Por lo tanto se reconoce la necesidad de estudiar y analizar las propiedades

inherentes de los diferentes materiales plásticos utilizados en el moldeo por

inyección, pero sin dejar de tomar en cuenta la relación que existe entre las

condiciones de procesado utilizadas por la industria y las propiedades físico-

químicas de los materiales.

14

El proceso de inyección de un material termoplástico consiste en fundir el

material y hacerlo fluir hacia un molde, a través de una boquilla en la máquina de

inyección, en donde llena una cavidad que le da una forma determinada, el cual

generalmente es metálico para que sea preciso en su fabricación y manufacturado

mediante CNC de acuerdo al diseño de la parte.

La inyección de termoplásticos es un proceso secuencial que está conformado

por un conjunto de etapas que se denomina ciclo de inyección. Los pasos de este

ciclo son:

a) Cierre: Tiempo en el que se cierra el molde vacío.

b) Inyección: También conocido como tiempo de llenado del molde, es el tiempo

necesario para que el material fundido pase desde el barril a las cavidades del

molde al estar ejerciéndose la presión de inyección.

c) Sostenimiento: En este tiempo, el tornillo actúa como pistón y empaca material

adicional en el molde para compensar su encogimiento. Su objetivo es evitar la

formación de rechupados.

d) Plastificación: Tiempo en el cual en el tornillo de la máquina inyectora carga el

material a inyectar, se plastifica y homogeniza dejándola lista para la próxima

inyección.

e) Enfriamiento: Es el tiempo comprendido entre el final de la aplicación de la

presión de sostenimiento y el comienzo de la apertura del molde, y asegurar

que el material fundido a solidificado y podrá ser extraído sin ser distorsionado.

15

f) Apertura y Expulsión: Tiempo en el cual el molde se abre y la pieza inyectada

puede ser retirada, ya sea de manera manual o automática.

A continuación se enlistan las principales ventajas del moldeo por inyección de

plástico, las cuales explican el gran auge de este proceso en los últimos años.

(Yáñez y Sánchez, 2006).

Ventajas:

� Altas velocidades de producción.

� Costo bajo de operario por unidad.

� Altamente automatizable.

� Es más económico y adecuado para cierto tipo de piezas.

� Permite buena tolerancia dimensional.

� Da una alta repetitividad dimensional.

� Permite moldear piezas con insertos.

� Permite una gran variedad de polímeros para inyectar.

16

Limitaciones:

� Alto costo de los moldes.

� Alto costo del equipo auxiliar.

� Calidad difícil de determinar inmediatamente.

� Desconocimiento de propiedades de los materiales origina problemas.

3.2.1 Materiales Plásticos

Plásticos: es una palabra que deriva del griego “Plastikos” que significa “Capaz

de ser Moldeado”.

Los plásticos son sustancias de origen orgánico formadas por largas cadenas

macromoleculares que contienen en su estructura carbono e hidrógeno

principalmente. Se obtienen mediante reacciones químicas entre diferentes

materias primas de origen sintético o natural. Es posible moldearlos mediante

procesos de transformación aplicando calor y presión. Son parte de la gran familia

de los Polímeros.

Polímeros es una palabra de origen latino que se puede llegar a traducir

literalmente como Muchas-Partes (Poli = muchas y meros = partes). De los

Polímeros se derivan también otros productos como los adhesivos, recubrimientos

y pinturas.

17

Los plásticos son polímeros sintéticos de alto peso molecular o bien

modificaciones de algunos polímeros naturales. Los cuales se pueden clasificar,

de acuerdo a su comportamiento termo-mecánico en: termo-fijo y termoplástico.

Los termoplásticos pueden ser calentados, fundidos, moldeados y enfriados

repetidas veces; es decir, son materiales que pueden ser reprocesados.

Dentro de la industria procesadora de plástico a nivel mundial, dos terceras

partes son termoplásticos; mientras que los termo-fijos puede ser moldeados bajo

presión con calentamiento, en donde las moléculas que componen estos

materiales se enlazan químicamente entre sí formando una estructura

permanente, este material no puede ser remolido y reprocesado nuevamente.

Otra clasificación dado su relación volumen de producción/costo los plásticos

se clasifican en:

Plásticos de gran volumen

En gran parte de la industria procesadora de plásticos los más usados son

los de gran volumen: tales como polietilenos, polipropilenos, poliestireno, o pvc.

Plásticos de ingeniería

Estos se caracterizan como materiales que tienen propiedades superiores a

los plásticos de gran volumen, ya que permiten la manufactura de partes más

fuertes, durables, además de que presentan estabilidad térmica, alta temperatura

de distorsión, etc. De los más comunes de este tipo se encuentra el Nylon.

18

Plásticos de especialidad

Dentro de estos se encuentran los que presentan características tan

especiales que los hace muy útiles a pesar de su alto costo para aplicaciones con

requerimientos muy específicos. El de mayor importancia comercial se le llama

Teflón.

Dentro de los plásticos de ingeniería se encuentra el TPV utilizado para la

presente investigación, a continuación se describen sus características básicas.

3.2.2.- TPV

Los TPV´s o también conocidos como elastómeros termoplásticos combinan

las características de procesado de los termoplásticos con las propiedades físicas

de los cauchos vulcanizados, como una alta deformación elástica y presentan una

serie de ventajas sobre los cauchos convencionales. Por el proceso de

vulcanización (formación de redes moleculares indisolubles), los materiales a base

de elastómeros no pueden ablandarse ni fundirse, impidiendo la reutilización del

material procedente de rebabas y piezas defectuosas, en cambio los elastómeros

termoplásticos puede volver a fundirse repetidamente a temperatura de moldeo sin

sufrir gran cambio en sus propiedades. Mas sin embargo una de las desventajas

es la sensibilidad a la deformación por compresión, su comportamiento a altas

temperaturas y la poca adherencia con el vidrio, lo que hace que el proceso de

encapsulado sea especialmente crítico en lo que respecta a la correcta adhesión

del perfil.

19

Los principales sectores donde este tipo de termoplásticos es utilizados

son: Construcción, automotriz, entorno doméstico, complementos deportivos,

electricidad y electrónica.

Figura 3.1 Partes moldeadas con TPV

Algunas ventajas:

� Resistencia al aire caliente, aceite y soluciones acuosas

� Alta capacidad de sellado

� Alta adherencia

� Alta resistencia química

� Se puede procesar a menor temperatura y tiempo que un TPV

tradicional.

20

3.3 Encapsulado de vidrio automotriz con TPV

El encapsulado de vidrio es un proceso empleado para obtener un marco

alrededor del vidrio mediante la inyección de un polímero en su borde a través de

un molde el cual es fabricado con control numérico al diseño del cliente. El

encapsulado se puede hacer en todos los vidrios del automóvil: parabrisas, aletas,

puertas delanteras, puertas traseras, cuartos traseros y medallón, con la

excepción de que en el parabrisas no es posible inyectar un termoplástico ni un

hule por la alta presión de inyección que se requiere, en el parabrisas se utiliza

otra técnica para inyectar poliuretano llamada RIM por sus siglas en inglés

“Reaction Injection Molding”.

Los principales beneficios del encapsulado de vidrio automotriz son los

siguientes:

� Permite una mayor flexibilidad en el diseño de molduras y sellos

perimetrales en los vidrios y facilita su instalación.

� Permite una mayor flexibilidad en el diseño al obtener diversos tipos de

perfiles en cualquier sección del producto.

� Permite la inserción de otros componentes de montaje como molduras,

tornillos, almas metálicas, etc.

� Permite el montaje del cristal al ras de la carrocería mejorando el

desempeño aerodinámico, reduciendo el ruido del viento, y el consumo

de combustible.

� Facilita el montaje del encapsulado en la planta armadora.

� Mejora notablemente la parte estética del vehículo.

� Cubre defectos de ensamble de carrocería o de trimming interno del

automóvil.

� Reduce el costo de instalar una moldura en un segundo paso

de ensamblaje.

Para una mejor comprensión de lo que es el encapsulado

en la figura 3.2 se presentan unas imágenes del producto el cual va a servir para

desarrollar la presente investigación.

a)

Figura 3.2. a) Ensamble final del encapsulado de vidrio automotriz, b)

A los termoplásticos se les realiza diferentes pruebas

finalidad de conocer cómo es que se comporta este,

de resina y determinar si la viscosidad cambia.

Facilita el montaje del encapsulado en la planta armadora.

Mejora notablemente la parte estética del vehículo.

Cubre defectos de ensamble de carrocería o de trimming interno del

Reduce el costo de instalar una moldura en un segundo paso

Para una mejor comprensión de lo que es el encapsulado de vidrio automotriz

se presentan unas imágenes del producto el cual va a servir para

desarrollar la presente investigación.

b)

. a) Ensamble final del encapsulado de vidrio automotriz, b)

Encapsulado automotriz

termoplásticos se les realiza diferentes pruebas rápidas y sencillas

finalidad de conocer cómo es que se comporta este, y poder diferenciar los lotes

erminar si la viscosidad cambia.

21

Cubre defectos de ensamble de carrocería o de trimming interno del

Reduce el costo de instalar una moldura en un segundo paso en la línea

de vidrio automotriz

se presentan unas imágenes del producto el cual va a servir para

. a) Ensamble final del encapsulado de vidrio automotriz, b)

rápidas y sencillas con la

y poder diferenciar los lotes

22

Con esto poder detectar a tiempo un posible cambio en parámetros de

procesamiento y por ende una calidad defectuosa; entre las pruebas más

confiables y rápidas se encuentra la del medidor del índice de fluidez y la

reometría capilar.

3.4 Índice de fluidez

En esta prueba establecida por la Sociedad Americana para pruebas y

Materiales (ASTM) basada en el medidor de índice de fluidez, en donde el

polímero se encuentra contenido en un barril equipado con una resistencia

eléctrica y una chaqueta aislante. Un peso conduce el pistón, el cual forza el

material fundido a través del dado. La velocidad de flujo, expresada como

gramos/10min, es el resultado reportado.

Debido a que son relativamente baratos y fáciles de operar, los medidores

de índice de fluidez (plastómeros) son los equipos más ampliamente utilizados en

la industria para la caracterización de polímeros fundidos. El plastómero de

extrusión es una herramienta sumamente útil para comparar resinas del mismo

tipo.

Fig

3.5 Reometría Capilar

El reómetro capilar consiste en un barril con calentamiento eléctrico en cuyo

extremo se coloca un dado capilar a través del cual se hace pasar el plástico

fundido. El pistón baja a través del barril a velocidad constante, forzando al

plástico fundido a pasar por el capilar; se mide la fuerza que es necesaria aplicar

al pistón para empujar el materi

fuerza, evaluados a las diferentes velocidades, se calculan los esfuerzos de corte

generados a diferentes velocidades de corte; lo cual permite calcular la viscosidad

del material en un intervalo de velocidades

Figura 3.3 Medidor de índice de fluidez


dado capilar a través del cual se hace pasar el plástico



al pistón para empujar el material a una velocidad determinada. Con los datos de



del material en un intervalo de velocidades de corte determinado.

23


dado capilar a través del cual se hace pasar el plástico



Con los datos de



La relación entre esfuerzo y velocidad de corte que describe las características

de flujo de un líquido, se puede representar gráficamente en lo que se conoce

como curvas de flujo. Es decir, una

recta con pendiente 1 para un fluido Newtoniano. Sin embargo, muchos

materiales, particularmente soluciones, dispersiones y fundidos poliméricos no

muestran este tipo de comportamiento. A estos fluidos que no muestran

comportamiento simple de un fluido Newtoniano se les conoc

Newtonianos. La determinación de la reometría capilar nos proporciona una

información más completa acerca del comportamiento de flujo de los materiales, lo

que permite entender fallas y defectos del procesado que son de origen reológico

o en ciertos casos hacer una mejor selección del polímero a utilizar.



como curvas de flujo. Es decir, una gráfica logarítmica de τ vs γ ser



muestran este tipo de comportamiento. A estos fluidos que no muestran

comportamiento simple de un fluido Newtoniano se les conoce como fluidos no

La determinación de la reometría capilar nos proporciona una


fallas y defectos del procesado que son de origen reológico

o en ciertos casos hacer una mejor selección del polímero a utilizar.

Figura 3.4 Reómetro Capilar.

24



γ será una línea



muestran este tipo de comportamiento. A estos fluidos que no muestran el

e como fluidos no-

La determinación de la reometría capilar nos proporciona una


fallas y defectos del procesado que son de origen reológico

25

3.6 Problemas en moldeo por inyección

Frecuentemente se enfrentan una gran cantidad de problemas y dificultades

en el proceso de inyección de plástico, principalmente relacionados con la calidad

de la pieza. En la mayoría de los casos la mala calidad de las partes moldeadas

puede ser detectada a simple vista antes de someterlo a su aplicación final.

Los problemas que se presentan mayormente en el moldeo por inyección de

termoplásticos están relacionados con defectos de la pieza moldeada y son:

� Piezas incompletas

� Piezas con rebabas

� Huecos y Rechupados

� Líneas de soldadura

� Alabeamiento

� Efecto diesel

� Brillo inconsistente

� Líneas de flujo

3.6.1 Rechupados y Huecos

Las piezas con rechupados son aquellas que presentan una depresión en

su superficie y aquellas con huecos son las que presentan espacios interiores que

no han sido llenados totalmente.

26

Los rechupados normalmente se deben a una presión insuficiente sobre el

fundido o al empacado insuficiente de material en la cavidad. Comúnmente se

presentan en secciones gruesas, sobre todo cuando éstas se encuentran

adyacentes a secciones delgadas.

A continuación se enlistan las principales causas que originan este problema:

� Presión de inyección baja

� Tiempo de presión de sostenimiento muy corto

� Velocidad de inyección baja

� Material sobrecalentado

� Material húmedo

� Enfriamiento del molde no uniforme

� Tamaño de la entrada, canales de alimentación y boquilla muy pequeños

� Espesores de la pieza no uniformes

En muchos de los caso de los defectos de calidad estos son detectables desde

la etapa de diseño y desarrollo de nuevo producto, es decir, con el avance de la

tecnología se han desarrollado programas computacionales que son capaces de

simular con gran fiabilidad el proceso de inyección de plástico en su totalidad y así

poder detectar estos defectos en una etapa temprana del diseño de nuevos

productos.

27

Los resultados que esos ofrecen son por demás verídicos y muy apegados a la

realidad, ofrecen desde la etapa del diseño de entradas, enfriamiento, hasta los

posibles defectos que la pieza pudiera tener cuando se encuentre en producción.

Por mencionar algunos de los programas computacionales que se encuentran en

el mercado, están: Moldflow, Moldex 3D, C-Mold, etc.

3.7 Simulación del proceso de inyección de plástico

En el desarrollo de una pieza de plástico inyectada se realiza una inversión

muy importante en el diseño y construcción del molde con el que va a ser

fabricada. Un óptimo diseño del molde es fundamental para obtener una calidad

de pieza adecuada, por lo que el diseñar mal un molde supone un problema

importante desde dos puntos de vista: puede tener pérdidas económicas

importantes por el costo del molde y porque puede condicionar la posterior

inyección de la pieza y la calidad de la misma y un problema de posteriores

modificaciones que se deban realizar, ya que puede retrasar el desarrollo de un

proyecto de las partes moldeadas.

Los programas de simulación son herramientas que pueden servir para la

realización de un diseño óptimo del molde. Mediante los resultados obtenidos de

los programas de simulación se pueden analizar la viabilidad de la geometría de la

pieza y del molde, los medios necesarios para su fabricación, los tiempos de ciclo,

etc.

28

Existen en el mercado varios programas que permiten realizar simulaciones de

inyección de platicos, entre los cuales destacan: Moldflow y Moldex.

Particularmente el desarrollo del presente trabajo se centra en el programa de

elemento finito Moldflow.

MoldFlow es una herramienta muy poderosa en la simulación por elemento

finito del proceso de inyección de plástico. Con este paquete se puede determinar

la manufacturabilidad de una pieza de plástico, y todo el sistema de alimentación

del molde así como el comportamiento de la temperatura y la presión entre otras

cosas.

El paquete permite que un modelo de la pieza creado en un sistema CAD,

tales como SOLIDWORK, CATIA, PRO-E etc; sea analizado en dos partes,

primero la pieza únicamente y luego la pieza con un sistema de alimentación

dentro de un molde.

El programa de simulación Moldflow cuenta con dos opciones para el

análisis del proceso de inyección de plástico; uno es el Moldflow part adviser

(MPA) y el Moldflow part insight (MPI) el primero si bien es bueno para resolver

ciertos problemas del proceso, este carece de ciertas características que permitan

un buen análisis e interpretación de resultados, ya que es más utilizado para un

análisis rápido y sencillo y para la representación gráfica de la pieza simulada.

29

En cambio el MPI ofrece una amplia gama de soluciones ya que este

cuenta con el procesamiento por elemento finito y otras opciones que dan como

resultado un mejor completo análisis. Para el caso de estudio del presente

proyecto se utilizará el MPI.

La ayuda proporcionada por este programa es muy valiosa para el

diseñador ya que puede saber cómo se comportará la pieza analizada bajo las

condiciones de proceso que previamente haya establecido. Para entender cada

análisis como es debido, se necesita tener un contexto de conocimientos acerca

del comportamiento de los plásticos en el moldeo por inyección.

Una vez teniendo estos conocimientos es muy fácil saber por primera vez

que está indicando cada resultado del análisis. Para cambiar algún parámetro o

resultado se pueden modificar distintas variables, no hay una sola opción

comúnmente por lo que hay que entender bien cómo interpretar cada resultado del

análisis del programa.

Una gran mayoría de los programas de simulación del proceso de inyección de

plásticos utilizan el método de elemento finito (MEF) para la solución de los

modelos matemáticos que incluye el cálculo de la mecánica de fluidos y de la

transferencia de calor por convección forzada del polímero durante el llenado de

las cavidades para formar las piezas.

30

3.7.1 Modelos de elemento finito

El programa computacional Moldflow resuelve las ecuaciones de mecánica

de fluidos empleando el método de elementos finitos, el cual consiste en dividir la

geometría en la que se requiere solucionar una ecuación de una campo escalar o

vectorial en un dominio o en pequeños elementos, utilizando elementos

triangulares y la ecuación de energía empleando el método de diferencias finitas.

La determinación del avance del frente de inyección del polímero en el interior de

la cavidad se efectúa mediante el método de elementos finitos, utilizando

elementos hexagonales y el método de volumen de fluido.

El modelo de mecánica de fluidos de Hele.Shaw, emplea la ecuación de

Laplace para la presión en el plano x-y, en la cavidad de poca profundidad z = 2δ,

escrita en términos de fluidez S del polímero, en la forma que indica la ecuación

��

�� + �� + ��

�� = � � = � �� (�,, )

�� (1)

Los componentes de la velocidad u (z) y v(z) se calculan en función de

la dirección de z, perpendicular a la dirección de avance del polímero, mediante

las relaciones en términos del gradiente de presión que define las ecuaciones:

� = − ��

�� = − ��

�� ( ) = − �� ´� ´

�( ´)�

�( ) = − �� ´� ´

�( ´)�

(2)

31

La ecuación de energía, incorpora los cambios de energía interna, dos

términos convectivos, un término de difusión y la generación de calor por la

fricción del polímero en las paredes de la cavidad:

�� + � ��

�� + � �� = � ��

� � + � ∙ ∙� (3)

Donde la velocidad de deformación ! , se define por la expresión:

! = "�� + ��

� �� (4)

La relación entre la viscosidad y la velocidad de deformación es no lineal y

varía con la temperatura, en °C, de acuerdo a la expresión de segundo orden:

#$(�) = % + &'�( ! ) + �� + ()#$ ! *� + + #$( ! )� + ,�� (5)

Los coeficientes A, B, C, D, E, F se conocen para cada tipo de polímero.

El seguimiento del frente móvil del polímero de la superficie del polímero en

contacto con el aire durante el proceso de llenado de la cavidad se calcula

mediante el método de volumen finito:

�,�� + - ∙ ,�../ = � (6)

32

Los modelos numéricos utilizados en programas de elementos finitos son

técnicas que muestran una solución aproximada a la solución exacta de un

problema, la cual está en función directa de los siguientes factores:

� El tipo de ecuación constitutiva empleada en el modelo.

� Los factores que integran la ecuación.

� Las condiciones limitantes, iniciales y las impuestas

� El tipo de elemento finito utilizado.

� El número de elementos en la malla.

� Cantidad de nodos o puntos de cálculo por elemento.

� La estabilidad convergente de la solución del problema.

33

3.7.2 Discretización de la malla

La generación de la malla es una de las partes más críticas en el análisis

del modelado por elemento finito ya que en ella influyen dos factores (Fornon,

1982):

� Grado de exactitud que se requiere para el análisis.

� Costo computacional del análisis.

Por lo que es importante hacer una buena selección de malla y plantear el tipo

de análisis requerido, ya que para una simple representación de la parte moldeada

no es necesario una malla tan densa, pero sí en cambio se requiere un análisis

más detallado y lograr buenos resultados para el mejoramiento del proceso real, sí

es necesario una malla más densa.

34

CAPÍTULO IV

MATERIALES Y MÉTODOS

4.1 Introducción

En este capítulo se presenta la metodología utilizada para realizar la presente

investigación, se analizan las etapas de diseño de la geometría del encapsulado

de vidrio automotriz y la validación llevada a cabo. En la metodología utilizada se

muestra desde los cambios realizados al diseño CAD del modelo, hasta la

solución aproximada del modelo de elemento finito.

4.2 Metodología

En base al análisis de la revisión bibliográfica y a la manera como otros

autores han resuelto los problemas de defectos de calidad en piezas moldeadas

por inyección de plástico y a la posterior optimización, se puede determinar la

siguiente metodología para realizar la presente investigación.

En la figura 4.1 se presenta una esquematización de la metodología empleada,

la cual empieza con la definición de parámetros, para luego establecer la relación

que estos tienen con el defecto de calidad y la posible solución, posteriormente

simular con elemento finito, para luego evaluar el diseño y finalizar con la

optimización de parámetros.

35

Figura. 4.1 Metodología para la optimización del proceso de inyección de

plástico

36

4.2.1 Definición de parámetros que afectan la calidad de la pieza

Esta etapa del proyecto es una de las más relevantes ya que del buen

razonamiento de los parámetros que afectan la calidad de la pieza depende la

solución final del problema. El defecto que se estudia y analiza en el presente

proyecto es el rechupe con el que cuenta la geometría del encapsulado de vidrio

automotriz con TPV, el cual fue definido anteriormente en el marco teórico.

De las principales causas que originan este problema y en base al estudio del

arte revisado la investigación se centra en las siguientes:

� Tiempo de presión de sostenimiento muy corto

� Velocidad de inyección baja

� Temperatura de fundido

� Temperatura de Molde

� Temperatura de enfriamiento

A continuación se muestra un diagrama que muestra la interdependencia entre

características de calidad y parámetros de proceso mostrado por Bichler y Kramer

2007.

Figura. 4.2 Diagrama de interdependencia entre características de calidad y

parámetros de proceso representado mediante la curva de presión interna en la



Diagrama de interdependencia entre características de calidad y


cavidad del molde

37



Diagrama de interdependencia entre características de calidad y


38

4.2.2 Relación defecto-causa-solución

Una vez establecidos las variables que más afectan el defecto analizado, se

establecieron los niveles que serían utilizados para la simulación del proceso por

de inyección de plástico.

4.2.3 Simulación por elemento finito del proceso de inyección de plástico

Para realizar la primera simulación CAE se siguieron los pasos a

continuación descritos, con la finalidad de validar el problema real del

encapsulado, es decir, si en proceso real se tiene el rechupe en cierta región de la

parte la simulación por elemento finito deberá tener el mismo defecto y en el

mismo lugar del modelo CAE, con las mismas condiciones de procesamiento.

39

4.2.3.1 Modificaciones al encapsulado original

Para llevar a cabo la simulación se realizaron una serie de adecuaciones

previas en un software de CAD, acondicionando encapsulado para su

procesamiento en el programa de simulación del proceso de inyección. Es decir,

es necesario exportar el modelo CAD del encapsulado de vidrio automotriz a un

programa CAE, en este caso Moldflow, el cual se puede guardar en base a un

formato estándar de cambio de datos entre aplicaciones CAD, por lo que se

seleccionó el formato IGES. La figura 4.3 muestra los cambios en la parte.

a) b)

Figura 4.3 Adecuación del encapsulado: a) se muestra el ensamble terminado

del encapsulado automotriz con TPV, b) se simplificó el encapsulado para su

posterior simulación.

Para las modificaciones del encapsulado se

el encapsulado final presentaba el cristal automotriz y un perfil de aluminio en la

parte inferior, por lo que al omitirlos

que no son importantes para el defecto de calidad analizado.

4.2.3.2 Procesamiento del Modelo

Una vez exportado el modelo CAD en formato IGES al simulador, lo

siguiente fue crear la malla para la simulación d

complejidad de la pieza el total de elementos para esta malla fue de 14199, sin

duda un gran número de elementos; se decidió utilizar esta malla con el fin de

obtener una buena confiabilidad al momento de realizar la simulación, m

embargo el tener un gran número de elementos en la malla supone una gran

cantidad de tiempo en horas de procesamiento por lo que es recomendable

analizar la finalidad de la simulación, ya que para una simple representación basta

con una menor densidad de malleo.

Para las modificaciones del encapsulado se realizó un desensamble ya que


parte inferior, por lo que al omitirlos para la simulación, esta no se ve afectada ya

que no son importantes para el defecto de calidad analizado.

4.2.3.2 Procesamiento del Modelo


fue crear la malla para la simulación del producto. Debido a la



obtener una buena confiabilidad al momento de realizar la simulación, m




ad de malleo.

Figura 4.4 Malla de la geometría

40

un desensamble ya que


para la simulación, esta no se ve afectada ya


Debido a la



obtener una buena confiabilidad al momento de realizar la simulación, mas sin




El Moldflow cuenta con una opción de Malleo

esta aplicación ya no es necesario realizarlo en otro programa especial, además

cuenta con opciones para la reparación de la malla en caso de que esta no fuera

la ideal para la parte. Se continuó

material a utilizar para el modelo

4.2.3.3 Selección del material

De la amplia base de datos de materiales con la que cuenta el simulador se

seleccionó un TPV Santoprene

ofrece, muestra o recomienda parámetros de procesamiento predefinidos en su

base de datos.

Figura 4.5

El Moldflow cuenta con una opción de Malleo para las partes por lo que al usar



continuó con la caracterización de las propiedades del

material a utilizar para el modelo

4.2.3.3 Selección del material


seleccionó un TPV Santoprene 121-65M300, dentro de las características que


Figura 4.5 Ventana del material seleccionado

41

para las partes por lo que al usar



e las propiedades del


65M300, dentro de las características que


Figura 4.6 Ventana de parámetros de procesamientos recomendados

La ecuación 4.1 muestra el modelo de viscosidad de Cross

el TPV santoprene empleado en la simulación a diferentes temperaturas:

0 = 0�12�0� !

3 ��41 0 = (1

η es viscosidad (Pa-

= D2+D3*p donde P es la presión (Pa), A2=A2+D3*P(K),

son constantes. τ está relacionado con el tiempo de relajación del material y D2

con la temperatura de transición vítrea (Tg).

Ventana de parámetros de procesamientos recomendados

cuación 4.1 muestra el modelo de viscosidad de Cross-WLF utilizado para


567 89%1( �9�:)%�2(�9�:); Ec. 4.1 donde:

-s), γ velocidad de corte (1/s), T es temperatura (K), T*

nde P es la presión (Pa), A2=A2+D3*P(K), τ*, D1,D2,D3,A1 y A2

á relacionado con el tiempo de relajación del material y D2

con la temperatura de transición vítrea (Tg).

42

Ventana de parámetros de procesamientos recomendados

WLF utilizado para


temperatura (K), T*

*, D1,D2,D3,A1 y A2

á relacionado con el tiempo de relajación del material y D2

Con los resultados obtenidos de una reología aplicada al material utilizado

en producción se pudo comparar la gráfica de viscosidad vs velocidad de corte

con la gráfica del material del simulador. En las siguientes figuras se muestran las

dos gráficas. Con esta comparación se puede demostrar que en efecto, la base de

datos del simulador es muy confiable.

Figura 4.7 Graficas de viscosidad vs velocidad de corte

gráfica proporcionada por la base de datos del simulador la cual tiene sus

los resultados obtenidos de una reología aplicada al material utilizado



ta comparación se puede demostrar que en efecto, la base de

el simulador es muy confiable.

a)

b)

Graficas de viscosidad vs velocidad de corte: a) se muestra la

proporcionada por la base de datos del simulador la cual tiene sus

43

los resultados obtenidos de una reología aplicada al material utilizado



ta comparación se puede demostrar que en efecto, la base de

) se muestra la

proporcionada por la base de datos del simulador la cual tiene sus

44

unidades en Pa-s, mientras que en b) se muestra la gráfica obtenida de la reología

aplicada al material, la cual esta expresado en función logarítmica.

Figura 4.8 Resultados de la reología aplicada al TPV

45

4.2.3.4 Parámetros de Procesamiento en Planta

Parámetros de procesamiento al inicio de la investigación utilizados en el

proceso del encapsulado de vidrio automotriz TPV.

Tabla 1.- Hoja de procesamiento real

46

4.2.3.5 Análisis de la simulación

El análisis de llenado simula el comportamiento del plástico durante la fase

de primera presión o llenado de la cavidad según las condiciones de contorno

definidas y considerando un molde ideal a temperatura constante. La información

resultante es extensa siendo la más significativa aquella que informa del tiempo,

presión y temperatura del frente plástico durante el llenado. Además muestra las

líneas de soldadura, burbujas de aire, velocidad de corte y tiempo de expulsión.

El motivo de realizar la simulación con los datos de procesamiento reales es

validar los resultados obtenidos contra los resultados de la parte real.

4.2.3.5.1 Análisis de llenado

Representa el avance de flujo durante el proceso desde el inicio de la

inyección hasta la llegada del flujo plástico a cada uno de los puntos. En la figura

se puede observar la escala de tiempo del proceso de inyección, en la cual las

zonas más azules indican un menor tiempo de llenado, mientras la zona más roja

indica un tiempo más largo de llenado.

Figura 4.9 Tiempo de llenado

47

4.2.3.5.2 Temperatura de frente flujo

Es la temperatura del polímero cuando el frente de flujo alcanza cierto punto.

En la Figura 5 se puede apreciar una temperatura del frente de flujo prácticamente

uniforme.

Figura 4.10 temperatura de frente flujo

48

4.2.3.5.3. Tiempo de expulsión de la pieza

Indica el tiempo que tarda el producto en alcanzar la temperatura de expulsión.

En la figura 4.9 se muestra el tiempo óptimo en el cual la parte debe ser expulsada

del moldeo. El color azul indica que tiene un tiempo aproximado de 110 segundos

después del final del llenado.

Figura 4.11 tiempo de expulsión de la pieza

Con la simulación de los parámetros utilizados por parte de la empresa se

obtuvieron resultados importantes ya que con estos se pudo validar que

efectivamente el programa de simulación ofrece resultados que pueden ser útiles y

de alta confiabilidad.

4.2.4. Validación del modelo de elemento finito

Para la validación del modelo de elemento finito del encapsulado de vidrio

automotriz se comparó la imagen de la colocación del punto de iny

encapsulado real contra el modelo de elemento finito.

Figura. 412

Figura 4.13

4.2.4. Validación del modelo de elemento finito


automotriz se comparó la imagen de la colocación del punto de iny

encapsulado real contra el modelo de elemento finito.

igura. 412 Punto de inyección del encapsulado

Figura 4.13.- Modelo de elemento finito

49


automotriz se comparó la imagen de la colocación del punto de inyección del

Otra comparación de que se

del rechupe localizado en la parte inferior del encapsulado, así mismo se comparó

con los resultado de la simulación por elemento finito en el software de inyección

de plástico para localizar que efectivamente

real, también se encontraba en el resultado de la simulación.

Figura 4.14

Figura 4.15.

Otra comparación de que se realizó para validar el modelo se tomaron fotografías



de plástico para localizar que efectivamente en la parte detectada en el proceso

real, también se encontraba en el resultado de la simulación.

Figura 4.14.- Resultado de la simulación.

Figura 4.15.- Rechupe en el encapsulado real.

50

para validar el modelo se tomaron fotografías



en la parte detectada en el proceso

En la imagen del simulador en la esquina inferior izquierda se

claramente en rojo el rechupe, el cual también se presente en el

la figura 4.15 se muestra el rechupe en el encapsulado real.

Así mismo se verificó el peso de la muestra del encapsulado real y el peso del

encapsulado de la simulación, obteniendo que ambas piezas tuvieran un peso

muy similar.

En la imagen del simulador en la esquina inferior izquierda se puede observar

el rechupe, el cual también se presente en el proceso real, en

se muestra el rechupe en el encapsulado real.


simulación, obteniendo que ambas piezas tuvieran un peso

Figura 4.16 Peso de la pieza.

51

puede observar

proceso real, en


simulación, obteniendo que ambas piezas tuvieran un peso

52

Figura 4.17.- Peso de la pieza simulada.

Para la realización de la validación del modelo de elemento finito del

encapsulado de vidrio automotriz con TPV, y la comparación con una pieza real,

estos se realizaron bajo los mismos parámetros de procesamiento, tanto para el

proceso real como para el simulado.

Con esta prueba se comprobó que los resultados del simulador son muy

parecidos a los obtenidos en procesamiento real.

53

CAPÍTULO V

CASO DE ESTUDIO Y RESULTADOS

5.1 Introducción

Este capítulo presenta la metodología utilizada para la optimización de los

parámetros del proceso de inyección de plástico TPV para el encapsulado de

vidrio automotriz. El sistema utilizado muestra el uso de la capacidad tecnológica

aplicada al proceso de inyección de plástico y desarrollo de productos plásticos, se

hace una descripción detallada de los pasos realizados en cada simulación para la

obtención de la superficie de respuesta y su posterior optimización.

5. 2 Superficie de Respuesta

Para producir continuamente piezas de alta calidad, es necesario conocer qué

parámetros de proceso influyen en un aspecto de calidad determinado y encontrar

los rangos de variación de estos parámetros, que todavía no afecten la calidad de

las piezas. Dependiendo del tipo de producto, habrá un rango de tolerancia mayor

o menor en el parámetro que se va a ajustar.

Por lo que una de las metodologías utilizadas ampliamente para resolver los

problemas de calidad en los productos plásticos es la superficie de respuesta, es

decir, utilizando un diseño central compuesto.

54

5.2.1 Factores y Niveles

En base al estudio del estado del arte realizado y considerando el

procesamiento del TPV se determinó que los parámetros que más influían y son

importantes para el defecto de calidad del rechupe son: temperatura de fundido

del material, temperatura del molde, velocidad de inyección, tiempo de

enfriamiento y tiempo de sostenimiento.

Lo siguiente fue definir los niveles de los factores para realizar el análisis de

superficie de respuesta, se seleccionaron los niveles en base a los parámetros de

procesamiento, así como también a los rangos recomendados por el fabricante de

la resina, en los cuales dichos parámetros deben estar para un buen

procesamiento. A continuación se presenta la tabla con los factores y niveles

establecidos para el análisis de superficie de respuesta.

Tabla Factores y Niveles

No Factor Niveles

1 Temperatura de Fundido 170-230

2 Temperatura de Molde 35-60

3 Velocidad de inyección 200-350

4 Tiempo de enfriamiento 30-40

5 Tiempo de sostenimiento 8-10

Figura 5.1 Tabla de factores y niveles de la superficie de respuesta.

55

5.2.2 Diseño de la superficie de respuesta

En base a lo mencionado anteriormente se realizó el Diseño Central

Compuesto para el análisis de la Superficie de Respuesta, en el software

MINITAB, el cual consta de un total de 32 corridas en forma aleatoria. En la

siguiente tabla se muestra el diseño de las corridas utilizadas para el análisis.

Tabla Diseño central compuesto

No.

de

Corrida

Temperatura

de Fundido

Temperatura

de Molde

Velocidad Tiempo de

Enfriamiento

Tiempo de

Sostenimiento

1 170 60 200 30 8

2 200 47.5 275 35 9

3 230 35 200 30 8

4 200 47.5 275 45 9

5 170 35 350 40 10

6 230 60 350 30 8

7 200 47.5 275 35 9

8 260 47.5 275 35 9

9 230 35 350 40 8

10 200 72.5 275 35 9

11 200 47.5 275 25 9

12 230 60 200 30 10

13 200 47.5 275 35 7

14 200 22.5 275 35 9

56

15 200 47.5 275 35 9

16 230 60 200 40 8

17 200 47.5 275 35 9

18 200 47.5 275 35 9

19 170 60 200 40 10

20 230 35 350 30 10

21 170 35 350 30 8

22 230 60 350 40 10

23 170 35 200 40 8

24 230 35 200 40 10

25 200 47.5 125 35 9

26 170 60 350 30 10

27 140 47.5 275 35 9

28 170 60 350 40 8

29 200 47.5 275 35 11

30 200 47.5 275 35 9

31 170 35 200 30 10

32 200 47.5 425 35 9

Figura 5.2 Tabla del diseño central compuesto de la superficie de respuesta.

57

Por ser un proceso que actualmente se encuentra en producción continua no fue

posible llevar a cabo el diseño de experimento, a continuación se enumeran los

recursos tanto materiales como humanos que se requerirían si se realizara el DOE

en el proceso real.

Tabla.- Costo experimento real

Cantidad Descripción Total

Mano de Obra 6 personas Personal por turno 18 personas diarias

Resina 30 kg 250 grs por pieza 30 kgs

Set up 2 Hrs Por cada pieza a inyectar Estabilizar máquina

256 hrs

Scrap 30 Kgs Deshecho 30kgs

Piezas 128 4 por cada corrida 11 días

Tabla 5.3 Costo Producción Real.

Cantidad Descripción Total

SR 32 Corridas Simulación 32

Inyección pieza 2 hrs Procesamiento Tiempo de ejecución de simulador 64 hrs

Tabla 5.4 Costo Simulación.

Con esto se demuestra nuevamente el porqué es importante darle cada vez más

importancia a los paquetes computacionales que son capaces de simular efectiva

y confiablemente los procesos industriales.

58

5.3 Resultados del modelo de elemento finito en CAE

El diseño completo de la superficie de respuesta fue evaluado en el

simulador de elemento finito de procesos de inyección de plásticos Moldflow, dado

que el correr las 32 pruebas de manera real implicaría un costo muy grande para

la empresa, por lo que acorde a lo investigado dentro del estado del arte se optó

por hacerlo de esta manera. Como el archivo de resultados para cada corrida es

muy amplio solo se mostrarán algunas de las corridas, y al finalizar el capítulo se

mostrara en una tabla los resultados totales del análisis de la investigación antes

de su optimización.

5.3.1 Simulación 1

A continuación se muestran los parámetros utilizados en la primera simulación

de acuerdo al diseño de la superficie de respuesta:

Parámetros de Procesamiento

Temperatura de Fundido: 170°C

Temperatura de Molde: 60°C

Velocidad de Inyección: 200 ccm/s

Tiempo de Enfriamiento: 30 seg

Tiempo de Sostenimiento: 8 seg

Figura 5.1 Mallado del encapsulado y colocación del punto de inyecciónMallado del encapsulado y colocación del punto de inyección

Figura 5.2 Tiempo de llenado.

59

Mallado del encapsulado y colocación del punto de inyección.

En la figura 5.3 se puede apreciar el malleo

en la figura 5.4 se muestra en cada color de contorno las partes del molde que

fueron llenadas al mismo tiempo, el inicio de la inyección se muestra en azul y los

últimos lugares en llenarse son mostrados en rojo. En ca

tuviera un disparo corto de inyección se mostraría en la imagen dado que se

mostraría sin color.

En la figura 5.5 se muestra el resultado de en el análisis de contracción del

encapsulado en donde en la parte inferior izquierda del encapsulado se muestra el

lugar donde se localiza el rechupe

lo muestra el encapsulado total.

En la figura 5.3 se puede apreciar el malleo que tiene el encapsulado de vidrio,



últimos lugares en llenarse son mostrados en rojo. En caso de que el proceso


Figura 5.3 Área del Rechupe.


la parte inferior izquierda del encapsulado se muestra el

lugar donde se localiza el rechupe más significativo de la parte moldeada, tal como

lo muestra el encapsulado total.

60

que tiene el encapsulado de vidrio,



so de que el proceso



la parte inferior izquierda del encapsulado se muestra el

significativo de la parte moldeada, tal como

61

En la barra de colores muestra el porcentaje total del rechupe siendo este el

más alto de la pieza, y en el resto del encapsulado se encuentra en rangos

tolerables para el proceso, ya que por ser un termoplástico este siempre va a

presentar una cierta contracción aceptable e imperceptible a simple vista.

En cada una de las corridas se realizaron los pasos anteriores descritos y

se analizaron los mismos resultados hasta finalizar la tabla del diseño central

compuesto.

62

5.4 Análisis del Diseño Central Compuesto

En la tabla se describe cada una de las 32 corridas realizadas en el

simulador por elemento finito del proceso de inyección de plástico (Moldflow),

además se muestra la variable de salida o respuesta que en este caso es el

porciento máximo de contracción.

Una vez realizadas el total de las corridas lo siguiente fue realizar el análisis

de superficie de respuesta en el programa estadístico minitab.

Tabla.- Resultado diseño central compuesto

63

A continuación se presenta los resultados del Minitab para la

superficie de respuesta.

La técnica de ANOVA es generalmente usada para identificar la

significancia de los parámetros de proceso en la variable de respuesta, en las

tablas descritas arriba se muestra el ANOVA para este estudio del rechupe, la F

del modelo es de 21.26.

64

Esto implica que es significante para predecir la variación en la contracción

en el encapsulado de vidrio automotriz. La R2 calculada es de .97 razonablemente

cerca de 1 lo cual es muy aceptable, esto demuestra que cerca del 97% de la

variabilidad de los datos es explicada por este modelo. Con esto se confirma que

este modelo muestra una excelente explicación de la relación entre los factores y

la variable de respuesta, que en este caso es el rechupe.

La siguiente figura muestra la gráfica de probabilidad normal de los

residuales para la contracción, como se puede apreciar los errores están

normalmente distribuidos.

Figura 5.4 Gráfica de probabilidad normal de los residuales

En las siguientes figuras se muestra la gráfica de contornos y la superficie

de respuesta de la variable de respuesta contracción entre los factores de

temperatura de molde y temperatura de fundido, revelando que entre menor sea

65

los niveles de estos parámetros se obtendrá una contracción en el encapsulado

menor.

Figura 5.5 Gráfica de contorno

5.6 Gráfica de superficie de respuesta.

66

En este estudio la meta es encontrar los valores óptimos para el proceso de

inyección TPV para el encapsulado de vidrio automotriz para minimizar la

variación del rechupe, este problema de optimización puede ser resuelto con la

técnica de la función de deseabilidad, teniendo en cuenta que se quiere minimizar

el rechupe.

Encontrar Z = (Temp. Fundido, Temp. Molde, Velocidad, T. Enfriamiento, T.

Sostenimiento)

Para minimizar ƒ (x) = contracción

Sujeto a: 35° ≤ Temp Molde ≤ 60°

190°≤ Temp. Fundido≤ 230°

200≤velocidad≤350

30≤T. Enfriamiento≤40

8 ≤T. Sostenimiento≤10

Este procedimiento se realizó utilizando el optimizador que trae integrado el

Minitab, el cual consiste en encontrar una combinación de las variables de entrada

que optimice los requerimientos de la respuesta, en donde se obtiene una

deseabilidad individual usando los rangos de las variables y con esto encontrar los

valores donde la contracción sea la menor posible.

67

Figura 5.7 Función de deseabilidad.

En esta imagen se observa cómo trabaja la función de deseabilidad del Minitab

para optimizar, es decir, se busca como objetivo tener una deseabilidad de 1,

estos es que cuando la respuesta disminuye la deseabilidad se incrementa.

Figura 5.8 Gráfica del optimizador del Minitab.

68

En la imagen se muestra el optimizador de Minitab, en donde se puede variar los

valores de los factores y en cada cambio se muestra el posible resultado de la

variable de respuesta, estos valores fueron comparados con el optimizador que

tiene el Excel.

A continuación se muestra los resultados obtenidos del solver de Excel.

Figura 5.9 Resultados de Excel.

Como se puede observar los valores obtenidos en ambas soluciones son muy

similares por lo que se puede considerar que la solución encontrada es muy

significante para el proceso de inyección de TPV.

Una vez encontrado los valores con los que se obtiene una menor contracción, lo

siguiente fue simular estos resultados para corroborar que efectivamente estos

fueron los niveles que den una menor contracción.

69

Figura 5.19 Rechupe en el encapsulado.

Como se puede observar en los resultados de la simulación el máximo punto en la

contracción fue de 9.8, acorde a lo que el optimizador de Minitab obtuvo como el

óptimo para los niveles presentados.

Aunque si bien es cierto el porciento presentado en la contracción no se pudo

evitar por completo si se redujo significativamente en comparación con el más del

12% que se tenía con respecto a los parámetros iniciales del proceso.

70

CAPÍTULO VI

CONCLUSIONES

1.- Con la investigación realizada se pudo constatar que el uso de paquetes

computacionales de elemento finito pude ser de mucha ayuda para simular el

proceso de inyección de plástico con gran exactitud y veracidad en los resultados,

además de que en casos como el presentado en el que el proceso está en línea

de producción continua y era imposible realizar pruebas experimentales, fue de

gran ayuda este.

2.- Con los resultados obtenidos de simulador se pudo constatar que el punto de

inyección se encuentra ligeramente desviado del óptimo recomendado por el

programa computacional.

3.- El uso de varios proveedores de resina TPV en producción real ocasiona

graves problemas en la calidad final del producto, ya que con la variación del peso

molecular de la resina varía drásticamente en la viscosidad del fluido al momento

de inyectarse y si no se tiene la habilidad para prever estas situaciones se tendrá

una variación en los parámetros de procesamiento.

71

4.- El uso de una metodología para la optimización de parámetros es de gran

ayuda al momento de enfrentar un problema de calidad y optimizarlo, ya que se

pueden ahorrar grandes recursos tanto materiales así como humanos al momento

de hacerlo como comúnmente se realiza en las empresas, utilizando el método de

prueba y error. Que si bien es cierto se llega a un resultado satisfactorio, este es

más tardado y no es nada científico.

5.- Los resultados obtenidos con la presente investigación son muy significativos y

similares a los encontrados de manera exploratoria por parte de personal de la

empresa. Por lo que se constató nuevamente que el uso de esta metodología es

confiable y se obtienen buenos resultados.

6.- Se recomienda realizar periódicamente pruebas periódicas con un reómetro

capilar para verificar la viscosidad de la resina cuando se cambia de un lote a otro,

esto con la finalidad de evitar futuros problemas de calidad.

7.- Es necesario que el personal operario tenga capacitación continua sobre el

proceso de inyección de plástico y el uso de resinas plásticas, ya que ellos son los

que se encuentran en el día a día con las máquinas y los defectos de calidad en

los productos terminados.

72

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