¿Por qué algunos productos se agrietan o deforman inesperadamente? Comprender las fuerzas ocultas en el interior de los materiales es crucial. Este artículo explora cómo se forman las tensiones internas durante el proceso de enfriamiento de los productos moldeados por inyección, centrándose en los efectos de los gradientes de temperatura y las presiones de moldeo. Aprenderá cómo afectan estas tensiones a la calidad del producto y descubrirá estrategias para minimizarlas, garantizando materiales más resistentes y fiables. Sumérjase para descubrir los secretos de las tensiones internas y mejorar su proceso de fabricación.
1. La generación de tensión interna
En los productos moldeados por inyección, el estado de tensión presenta variaciones locales que influyen significativamente en los patrones de deformación del producto. Estas tensiones, conocidas como "tensiones de conformado", surgen principalmente de los gradientes de temperatura durante el proceso de enfriamiento.
Las tensiones internas de los productos moldeados por inyección pueden clasificarse en dos tipos principales: tensiones de moldeo y tensiones térmicas.
Cuando se inyecta polímero fundido en una cavidad de molde más fría, se produce una rápida solidificación en la interfaz de la pared de la cavidad. Este enfriamiento repentino hace que las cadenas de polímero se "congelen" en un estado de no equilibrio, lo que provoca una conductividad térmica deficiente y gradientes de temperatura pronunciados en el espesor del producto. El núcleo del producto se solidifica más lentamente, lo que a menudo da lugar a situaciones en las que la puerta se solidifica antes de la solidificación completa del núcleo. Este fenómeno impide que la máquina de moldeo por inyección compense la contracción inducida por el enfriamiento.
En consecuencia, se desarrolla una compleja distribución de tensiones dentro del producto: el interior experimenta tensiones de tracción, mientras que la capa superficial sufre tensiones de compresión. Esta distribución de tensiones crea un patrón de contracción interna que se opone al comportamiento de la capa rígida de la piel.
Durante la fase de llenado, la generación de tensiones no se atribuye únicamente a los efectos de la contracción volumétrica. La expansión del sistema de canales y de la región de compuertas también contribuye de forma significativa. Las tensiones inducidas por la contracción se alinean con la dirección del flujo de la masa fundida, mientras que las tensiones relacionadas con la expansión actúan perpendicularmente al flujo, originadas por la expansión localizada en la salida de la compuerta.
En condiciones de enfriamiento rápido, la orientación puede provocar la formación de tensiones internas en el material polimérico. La elevada viscosidad del polímero fundido hace que la tensión interna no pueda relajarse rápidamente, lo que afecta a las propiedades físicas y la estabilidad dimensional del producto.
Efectos de los parámetros en el estrés de orientación:
Una temperatura de fusión elevada conduce a una viscosidad baja y a una tensión de cizallamiento reducida, lo que da lugar a una orientación reducida. Sin embargo, la alta temperatura también acelera la relajación de la tensión y mejora la liberación de la orientación. Si no se ajusta la presión de la máquina de moldeo por inyección, aumentará la presión de la cavidad, lo que provocará un efecto de cizallamiento más fuerte y un aumento de la tensión de orientación.
Prolongar el tiempo de retención antes de cerrar la boquilla aumenta el esfuerzo de orientación.
El aumento de la presión de inyección o de mantenimiento aumenta la tensión de orientación.
Una temperatura elevada del molde garantiza que el producto se enfríe lentamente, desempeñando un papel de desorientación.
Aumentar el grosor del producto reduce la tensión de orientación porque los productos de paredes gruesas se enfrían lentamente, lo que provoca un lento aumento de la viscosidad y un largo proceso de relajación de la tensión, con lo que la tensión de orientación es pequeña.
Como se ha indicado anteriormente, el gran gradiente de temperatura entre la masa fundida y la pared del molde durante el llenado de éste provoca una tensión de compresión (tensión de contracción) en la capa exterior y una tensión de tracción (tensión de orientación) en la capa interior.
Si el molde se llena durante un período de tiempo más largo bajo la influencia de la presión de mantenimiento, la masa fundida de polímero se vuelve a llenar en la cavidad, aumentando la presión de la cavidad y alterando la tensión interna causada por la temperatura desigual. Sin embargo, si el tiempo de mantenimiento es corto y la presión de la cavidad es baja, el producto mantendrá su estado de tensión original durante el enfriamiento.
Si la presión de la cavidad es insuficiente en las primeras fases de enfriamiento del producto, la capa exterior del producto formará una depresión debido a la contracción por solidificación. Si la presión de cavidad es insuficiente en las etapas posteriores, cuando el producto ha formado una capa dura fría, la capa interna del producto puede separarse debido a la contracción o formar una cavidad.
Mantener la presión de la cavidad antes de que se cierre la compuerta ayuda a aumentar la densidad del producto y a eliminar la tensión de la temperatura de enfriamiento, pero también provoca una alta concentración de tensión cerca de la compuerta.
Por lo tanto, al moldear polímeros termoplásticos, una mayor presión en el molde y un tiempo de mantenimiento más largo ayudan a reducir la tensión de contracción causada por la temperatura y a aumentar la tensión de compresión.
La tensión interna de un producto influye significativamente en sus propiedades mecánicas y su rendimiento general. Una distribución no uniforme de la tensión puede provocar la formación de grietas durante el uso del producto, comprometiendo su integridad estructural y longevidad.
Cuando se utilizan por debajo de la temperatura de transición vítrea, los productos pueden sufrir deformaciones irregulares o alabeos. Además, puede producirse un "blanqueamiento" o enturbiamiento de la superficie, lo que degrada las propiedades ópticas y el atractivo estético. Estos fenómenos suelen ser manifestaciones de tensiones residuales atrapadas en el material durante el procesado.
Para mitigar la distribución desigual de las tensiones y mejorar la uniformidad de las propiedades mecánicas, pueden emplearse varias estrategias:
Tanto los polímeros cristalinos como los amorfos presentan una resistencia a la tracción anisótropa, característica estrechamente ligada a la orientación molecular durante el procesado. La relación entre la resistencia a la tracción y los parámetros de procesado varía en función del tipo de polímero y la orientación de la puerta:
Para polímeros amorfos:
Este comportamiento se atribuye a la interacción entre los efectos de orientación y desorientación. Las temperaturas de fusión más elevadas aumentan la movilidad molecular, favoreciendo la desorientación y reduciendo la mejora de la resistencia inducida por la orientación. La orientación de la puerta influye en los patrones de flujo, afectando así a la alineación molecular.
Los polímeros amorfos suelen presentar una mayor anisotropía que los polímeros cristalinos, lo que se traduce en una mayor resistencia a la tracción perpendicular a la dirección de flujo. El grado de anisotropía mecánica depende de la temperatura:
Esta sensibilidad a la temperatura subraya la importancia de un control preciso del proceso para conseguir las propiedades mecánicas deseadas.
En resumen, el aumento de la temperatura de fusión suele disminuir la resistencia a la tracción tanto de los polímeros cristalinos como de los amorfos. Sin embargo, los mecanismos subyacentes difieren:
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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