Moldeo por soplado/Reducción del tiempo de enfriamiento en moldeo por soplado

La atomización de agua es un nuevo método que permite reducir el tiempo de enfriamiento de las piezas en moldeo por soplado. Pruebas realizadas demuestran que es posible alcanzar una reducción hasta de 41%.

En el proceso de moldeo por soplado la pieza soplada se enfría principalmente por el contacto con el molde. Con el uso de un sistema de enfriamiento interno es posible reducir el tiempo de enfriamiento. La atomización de agua es un nuevo método para incrementar el flujo de calor en la superficie interna. En el IKV el mandril de soplado y la máquina de moldeo por soplado se modificaron con el fin de inyectar agua atomizada. La reducción efectiva del tiempo de enfriamiento depende de la cantidad de agua atomizada inyectada. Las pruebas experimentales muestran que es posible alcanzar una reducción en el tiempo de enfriamiento de hasta un 41%.

Introducción
La evolución técnica del proceso de moldeo por soplado está ligada fuertemente a la rentabilidad del proceso. Dado que el costo del material representa la mayor fracción de los costos totales, el transformador busca minimizar la cantidad de material empleando un sistema de control de espesores de pared. Para ello se debe obtener una forma optimizada de las preformas de extrusión. El espesor mínimo de pared se determina en función de los requerimientos de rigidez exigidos sobre la pieza soplada.

Otra posible aproximación para incrementar la rentabilidad del proceso es reducir el tiempo de ciclo. Por lo tanto, para abaratar del proceso de moldeo por soplado se puede reducir el tiempo de ciclo. El tiempo de enfriamiento puede alcanzar hasta el 95% del tiempo total de ciclo. Por ello la reducción del tiempo de enfriamiento tiene un alto potencial para reducir costos. La tasa de transferencia de calor desde la pieza moldeada tiene una gran influencia en el tiempo de enfriamiento. La tasa de transferencia de calor depende de conductividad térmica del molde y de la convección sobre la superficie interna. Por lo tanto la reducción del tiempo de enfriamiento también puede alcanzarse incrementando la tasa de transferencia de calor entre la pieza y el molde por medio de una superficie interna refrigerante o de un proceso de postenfriamiento.

Estado del arte
La presión de soplado puede aumentar la tasa de transferencia entre la pieza y el molde. Una mayor presión de soplado incrementa el área de contacto entre la pieza soplada y el molde, elevando el coeficiente global de transferencia de calor y, por ende, aumentando el flujo de calor disipado del molde.

El tiempo de enfriamiento durante la extrusión de piezas de paredes delgadas puede reducirse hasta en un 20% usando una presión de soplado de 30bar. El uso de presiones de soplado elevadas influye significativamente en el tiempo de enfriamiento de piezas con paredes delgadas debido a la baja conductividad térmica de los polímeros.

Además del enfriamiento en el molde, el calor también puede ser disipado de la superficie interna. Los procesos que incrementan el flujo de calor en la superficie interna son conocidos como enfriamiento de superficie interna. Entre los procesos de enfriamiento de superficie interna se conocen:

El método de purga de aire:
El aire de soplado fluye a través del mandril de soplado a través de un accesorio de restricción de flujo, con el fin de mantener el nivel de presión y un intercambio continuo con el aire en circulación.

El uso de aire sobreenfriado incrementa la diferencia de temperaturas entre la superficie interna de la pieza moldeada y la purga de aire, pero incrementa el consumo de energía. De esta forma se puede reducir el tiempo de ciclo, pero la rentabilidad se puede ver afectada debido al alto consumo de energía.

Proceso N2/CO2:
Para obtener una mayor reducción del tiempo de enfriamiento se utiliza la inyección de nitrógeno líquido sobreenfriado (proceso N2) o de dióxido de carbono líquido sobreenfriado (proceso CO2) junto con el aire de soplado. Una gran fracción de la cantidad de calor disipado de la superficie interna corresponde a la evaporación del medio. Dada la gran inversión de capital estos procesos sólo se usan para casos especiales.

Los procesos postenfriamiento reducen el tiempo de enfriamiento a través del enfriamiento de la pieza después del desmoldeo en una unidad de proceso aguas abajo. Las ventajas de estos procesos son los pequeños tiempos de residencia de la pieza en el molde. Sin embargo, dados los elevados costos de inversión inicial los procesos de postenfriamiento solo se utilizan en casos especiales.

Por ello es necesario encontrar un proceso económico que optimice el enfriamiento de la superficie interna y mejore la rentabilidad de los procesos de moldeo por extrusión soplado.
Motivación
Para lograr un incremento del flujo de calor en la superficie interna es posible inyectar agua atomizada en la pieza moldeada durante el tiempo de enfriamiento. El agua se atomiza a través de un inyector. El coeficiente de calor del agua es más grande que aquellos de los gases. De hecho el calor se disipa en parte a través de la evaporación. Además el agua es más barata que el nitrógeno o que el dióxido de carbono. El aumento de la presión de evaporación puede también incrementar la tasa de transferencia de calor en el molde gracias a la mayor área de contacto entre la pieza moldeada y el molde. Los bajos costos son una ventaja comparativa de los atomizadores de agua. Por otra parte los sistemas de control son más sencillos cuando se utiliza agua que cuando se usa nitrógeno o dióxido de carbono.
El flujo de calor disipado en la superficie interna depende de la cantidad de agua inyectada. Es claro que la diferencia de temperaturas entre los fluidos inyectados y de purga afecta el flujo de calor disipado. La transferencia de calor en la superficie interna se puede determinar conociendo las capacidades caloríficas, las entalpías de evaporación, las temperaturas y las masas de los diferentes medios, así como el coeficiente global de transferencia de calor. El modelo físico conduce a una ecuación que describe el flujo máximo de calor disipado.
Configuración experimental
Con el fin de estudiar la influencia de la inyección de agua atomizada sobre la reducción del tiempo de enfriamiento se realizaron una serie de pruebas en una máquina de moldeo por soplado KEB 4.01, Krupp Kautex Maschinenbau GmbH, Bonn. La máquina está equipada con una extrusora de 50mm de diámetro (L/D = 20) con zona de alimentación forzada.

La figura 3 presenta el equipo de inyección de agua. La presión de agua se ajusta por medio de un generador de alta presión, un manómetro y un elemento de restricción de flujo. La línea de agua de alimentación se controla por medio de una válvula de inyección y se conecta a un mandril de soplado modular. A través de un inyector (Spraying Systems Hamburgo) ubicado en el mandril de soplado se atomiza el agua y se inyecta al interior de la pieza. Por su parte, el agua entre la válvula de inyección y el mandril de soplado se elimina a través de una línea de purga. Esto evita la formación de gotas de agua después del cierre de la válvula de inyección. Una bomba de eyección evacua el agua por medio de la reducción de presión.
Adicionalmente al agua atomizada y al aire de soplado, se puede inyectar aire sobreenfriado al interior de la pieza moldeada. Un sistema de enfriamiento de BEKO Technologies GmbH, Neuss, suministra aire sobreenfriado de -40° C. Tres líneas coaxiales de alimentación permiten la inyección de agua, aire y aire sobreenfriado separadamente. Para facilitar el estudio se moldearon por soplado botellas redondas de 5L. Con el objetivo de comparar los parámetros de configuración se midió la temperatura de superficie de la pieza moldeada por medio de una cámara infrarroja FLIR Systems AB SC500, Danderyd, Suecia. La figura 4 presenta una distribución de temperatura de superficie y la geometría de la pieza moldeada por soplado.