Control de temperatura del molde: un aliado para competir

En los procesos de inyección de plásticos son frecuentes los defectos en los productos terminados, que se atribuyen a un pobre control del enfriamiento del molde. Entre ellos, los más comunes son el alabeo en superficies planas, las marcas superficiales (rechupes, cicatrices), una mala distribución de las fibras de refuerzo, pérdida de las piezas iniciales de lotes y acabados superficiales inadecuados. En algunas plantas productoras de piezas moldeadas, el número de piezas defectuosas inservibles alcanza porcentajes de doble dígito, o bien, cuando su gravedad no impide recuperar los productos terminados, existe todo un departamento dedicado a corregir esos ‘inevitables’ defectos, a base de aplicar recubrimientos, lijar o ‘maquillar’ de algún modo la pieza.

No es necesario recalcar que cualquiera de estas dos situaciones –que  terminan por aceptarse como males necesarios– representan apreciables incrementos en los costos, conducen a adoptar prácticas no amigables con el ambiente e influyen muy negativamente en la posición competitiva de las empresas productoras de piezas plásticas, al aumentar los tiempos de entrega, el capital de trabajo requerido para la producción y los costos laborales. Los procesadores de plásticos, por tanto, buscan en sus proveedores de moldes soluciones que les ayuden a enfrentar estos problemas.

En los últimos años se ha abierto camino una revolucionaria tecnología de control de temperatura de moldes, que elimina estos y otros defectos, con los consiguientes beneficios en disminución de costos de operación. La nueva tecnología ha sido desarrollada por diferentes fuentes, es motivo de disputas de propiedad intelectual y se conoce bajo diferentes nombres: enfriamiento conformacional (conformal cooling) o moldeo de ciclo de calentamiento rápido (RHCM, acrónimo del inglés Rapid Heat and Cooling Molding), y se comercializa, entre otros, con los nombres registrados de RHCM, Variotherm y Contura.

Rapidez ante todo
La operación del nuevo sistema se basa en calentar el molde antes de llenarlo, hasta alcanzar una temperatura más alta que la de transición vítrea del polímero. Esto es, de por sí, una ruptura con la práctica común, en la que las temperaturas de los moldes superan por pocas decenas de grados la temperatura ambiente.  A continuación se llena el molde con el fundido. El enfriamiento del molde empieza tan pronto se llena la cavidad y termina cuando la pieza ha alcanzado la temperatura de desmolde.

Como medio de calefacción se usa vapor o fluidos térmicos (según la disponibilidad en el sitio de producción) y para el enfriamiento se usan generalmente fluidos térmicos o agua. Los cambios precisos en la dirección y caudal de los flujos para calentar o enfriar requieren instalar controles sofisticados de temperatura, tanto del molde como de la pieza. Y, adicionalmente, hay que hacer instalaciones nuevas para llevar hasta el molde los medios de calentamiento o enfriamiento para generarlos y adecuar su temperatura. Finalmente, los nuevos insumos para producir requieren análisis cuidadosos de seguridad industrial y de control ambiental, como en cualquier instalación de manufactura.

Entre las innovaciones que se aplican en la fabricación de moldes está la apertura de canales de enfriamiento-calentamiento mediante el uso de láser y metalización (se pueden hacer combinaciones  acero-bronce de alta resistencia, por ejemplo). Generalmente, se aplican en moldes nuevos, pero algunos proveedores ofrecen técnicas de aplicación de insertos para moldes existentes. Esta posibilidad no es siempre factible, dadas las características de los metales, o bien no es viable económicamente porque el tiempo de parada del molde para su eventual reforma se suma a la inversión y puede pesar significativamente en la evaluación del proyecto.

Algunas de estas técnicas se empezaron a conocer desde los años noventa, con la adopción de los sistemas de diseño 3D, pero puede decirse que su completo desarrollo es de esta década y que surgen como respuesta de alto valor agregado a la fuerte competencia que los países orientales emergentes han ofrecido a los proveedores tradicionales de moldes de Europa, Estados Unidos y Japón. En un principio, se trató de mejorar el diseño de los moldes con aplicación de técnicas probadas en otras industrias (análisis de elementos finitos, construcción modular con canales de circulación de agua hechos a la medida). Este fue el camino seguido por Innova de E.U. desde 1996. Otros productores, por su parte, buscaron métodos de calentamiento de moldes que fueran rápidos y adoptaron el uso de vapor u otros agentes. Hoy puede decirse que las diversas manifestaciones de estas tecnologías están caracterizadas por un enfoque integrado, al combinar un estricto control de la temperatura y una técnica avanzada de modificación de los moldes. Al final, se tiene como resultado un conjunto que resulta sencillo de operar, pero que tiene un muy elaborado soporte tecnológico.

El tiempo es dinero
La adopción de las nuevas técnicas implica una inversión cuantiosa, que se va a reflejar en la disminución de los costos por reproceso, en la reducción de inventarios vía disminución de los tiempos de fabricación y en menores costos de inspección. Finalmente, se abren fuentes de aplicación que antes estaban cerradas para productos hechos con el sistema tradicional de moldeo por inyección (por ejemplo, es posible obtener acabados tipo espejo inclusive en plásticos espumados). Además, se debe tener en cuenta que se eliminan las operaciones adicionales para corregir defectos (lijado, aplicación de recubrimientos). Todos estos factores hacen posible la viabilidad económica de la alta inversión requerida para estos proyectos.

La aplicación más frecuente parece ser la de moldeo de piezas de formas irregulares o complicadas (típicamente, con pronunciadas curvas o paredes delgadas extensas). Este tipo de producto hace muy viable la aplicación de las técnicas de control de temperatura, al brindar el más amplio campo de mejora con relación a moldes tradicionales. Es allí donde se han reportado las variaciones más positivas en tiempo de ciclo y reducción de pérdidas por defectos.

Existe un beneficio adicional que no puede pasarse por alto: la disminución del tiempo de ciclo de moldeo, que por sí sola puede ser decisoria en el análisis económico del proyecto. Este ahorro de tiempo es particularmente significativo cuando se moldean piezas de paredes muy gruesas, o bien paredes delgadas de gran superficie. Tradicionalmente, los métodos de fabricación de este tipo de piezas suponen la existencia de un tiempo largo moldeo, para permitir el llenado adecuado de las cavidades, seguido por otro periodo prolongado de ‘posmoldeo’, con el cual se permite que la pieza esté suficientemente rígida para permitir su desmolde sin deformarla. Con el uso de las nuevas técnicas, que aplican el calor y el enfriamiento donde se requiere y por el tiempo que se requiere, estos tiempos de espera disminuyen drásticamente y se habla de reducciones de tiempo de ciclo de 30% y superiores.

Opciones disponibles
Antes de tomar una decisión de inversión es necesario determinar si las diferentes ofertas se adaptan a las necesidades específicas de producción, mediante un balance entre el costo de la inversión y de la adaptación de los moldes, de una parte y, por otra, los beneficios en reducción del tiempo de ciclo y las mejoras en productividad.

La compañía Ono Sangyo Co. (OSK), en Japón, reclama la propiedad intelectual del RHCM y ofrece varias modalidades de aplicación. Entre las ventajas que subrayan para su tecnología se cuentan una excelente transferencia de la forma del molde al producto, menor presión de llenado del molde y mejora en las características ópticas (relajación de la orientación del polímero). Lo anterior, según OSK, se traduce en un producto moldeado con propiedades muy deseables, como líneas de soldadura invisibles, buena textura de transferencia, superficies con brillo adecuado y sin aparición de fibras de relleno. También se menciona que se puede alcanzar buena rigidez en paredes delgadas y eliminar el alabeo y la distorsión en las gruesas, a la vez que se mejora la adhesión de recubrimientos y de metales electrodepositados.

La compañía Hofmann Werkzeugbau afirma ser pionera en el desarrollo y la aplicación de Variotherm. La compañía Trexel Inc., de Woburn, Massachusetts, adoptó el sistema Variotherm de Hofmann a su línea de inyectoras de piezas pequeñas (diámetros de tornillo inferiores a 40 mm), logrando muy alta calidad en producción de sistemas  de moldeo microcelulares. Otras compañías alemanas como Single Temperiertechnik GbmH y Sauer & Sohn KG, promueven conjuntamente la ‘Tecnología de Temperatura Alternante’. El sistema Contura es promocionado desde 1996 por Innova Zug Engineering GmbH, y por otras empresas alemanas, como GWK GmbH.