EN AURRENAK APOSTAMOS POR LA INNOVACIÓN EN MOLDES DE INYECCIÓN DE ALUMINIO, MEJORANDO SUS PRESTACIONES.

AURRENAK lleva desde el año 1974 fabricando utillajes para el sector de fundición de hierro y aluminio, y ha ido evolucionando hasta ser en estos momentos una empresa puntera de referencia mundial.

El mercado de automoción es muy exigente para sus proveedores en cuanto a los costes y AURRENAK realiza esfuerzos constantes para mejorar su productividad. Asimismo considera que hay que aumentar el valor añadido de los moldes para incrementar la competitividad en un sector globalizado. Esto se traduce en asumir un mayor gasto en investigación y desarrollo tecnológico, optimizando e innovando en cuando a diseño de productos y procesos.

AURRENAK, en la búsqueda de la mejora de esta competitividad para sus moldes de inyección de aluminio, está desarrollando un nuevo proyecto de I+D+I en colaboración con el Centro Tecnológico Koniker con el objetivo de investigar sobre la tecnología de simulación de inyección y analizar posibles futuras aplicaciones. Para ello se ha elegido un molde ya fabricado y suficientemente representativo.

Para conseguir este aumento de competitividad, se han tenido en cuenta las herramientas de simulación teórica, centrado los esfuerzos en estos dos campos de mejora:

1) Análisis de la influencia de los parámetros del proceso de inyección.
2) Análisis del comportamiento termodinámico de los moldes.

1) Análisis de la influencia de los parámetros del proceso de inyección

Los parámetros clave en todo proceso de conformado por inyección son: velocidad del pistón, velocidad del fluido en los ataques, temperatura del molde y temperatura del material a inyectar.

En el marco de esta tarea se ha realizado el estudio de influencia de los parámetros del proceso de inyección mediante diferentes simulaciones en ProCast de una pieza cuyo molde ha sido diseñado y fabricado por AURRENAK. Estos parámetros se han ido modificando unitariamente, de manera que los resultados de cada uno sean fácilmente comparables con los demás.

Se han modificado los siguientes parámetros:
Temperatura inicial del molde (precalentamiento)
Temperatura del aluminio
Velocidad de la 1ª fase
Velocidad de la 2ª fase
Tiempo de cambio de fase

Otros factores también tienen suma importancia a la hora del llenado, como por ejemplo el espesor de pared de pieza, mayores o menores radios pero esos son factores que no se pueden modificar en la simulación, ya que ésta se hace sobre la pieza ya diseñada, y para ello se debería modificar el diseño, cosa que es posible, en función de los resultados de la simulación.
Entonces sería el diseñador el que haría la modificación de la pieza, o en su defecto de las cargas o bebedero (alimentación).

Los resultados obtenidos mediante las simulaciones realizadas en Procast nos permiten prever, no sólo los defectos producidos por la contracción, sino también la formación de uniones frías mediante un adecuado análisis de los ciclos de llenado. Las principales dificultades radican en la optimización de los parámetros del proceso.

Después de analizar los parámetros modificados para cada una de las simulaciones, obtenemos las siguientes conclusiones en cuanto a cada uno de dichos parámetros:

Temperatura molde precalentado
Aumentar la temperatura del molde ayuda a que el llenado sea bueno y a que no se formen uniones frías, pero representa un incremento de tiempo de la pieza en el molde y un aumento de desgaste del molde, por tanto hay que minimizarlos tanto cuanto sea posible. El criterio para este parámetro es reducir la temperatura lo máximo posible alrededor de 200º C. Una temperatura del molde demasiado baja, puede producir un desgaste prematuro del molde, empeoramiento de precisión dimensional, así como el llenado incompleto del molde.
Una temperatura del molde demasiado elevada, genera una prolongación del ciclo, desgaste de molde y mayor cantidad de poros por contracción.

Temperatura del aluminio
Una temperatura del fluido demasiada baja puede facilitar la aparición de uniones frías en el frente de llenado, o impedir el llenado completo de la cavidad. Mientras que una temperatura demasiado alta puede alargar el tiempo de solidificación y provocar un crecimiento de la microestructura.

Velocidad de la 1ª fase
La velocidad del pistón es un parámetro clave porque con ella controlamos la velocidad del fluido en los ataques y evitamos así flujos turbulentos, que podrían dar lugar a porosidades o solidificaciones prematuras si la velocidad es demasiado baja.

Velocidad de la 2ª fase
Lo mismo que para el caso anterior, la velocidad del pistón es un factor clave para controlar tanto el flujo como la velocidad en los ataques.

Tiempo de cambio de fase
Al introducir más tarde la velocidad de 2ª fase, lo que puede ocurrir que al realizar el llenado en más tiempo, se produzcan mayor cantidad de porosidades por solidificación prematura del material, a pesar de que el ciclo se alargue.
Si se introduce demasiado pronto, las velocidades en la zona de entrada pueden llegar a ser demasiado elevadas.
Este sí es un factor para el cual hay que tener experiencia y destreza para el tiempo adecuado para que no sea ni demasiado pronto ni demasiado tarde, en base a la forma de las entradas de la alimentación.

2) Análisis del comportamiento termodinámico de los moldes

En el siguiente informe se exponen los resultados del análisis tensional de un molde de inyección para un carter. Este análisis se ha realizado con el programa de simulación ProCast.
También se correlacionarán los resultados con los datos experimentales obtenidos con las galgas extensiométricas en las pruebas de inyección realizadas.

Durante la inyección de componentes metálicos, además de los defectos del llenado y la solidificación, otra cuestión importante es el comportamiento de tensión de ambos, tanto de la colada como del molde. Este comportamiento puede afectar la integridad final del componente, así como terminar en defectos como grietas, distorsiones y moldes inutilizables. Los factores que influyen en el comportamiento de tensión y también en la vida del molde son los siguientes:
Las propiedades termo-mecánicas de la colada y del molde.
La cavidad.
Las propiedades materiales del molde
Historia térmica del molde
Fuerzas externas y presiones

Para simular con exactitud el comportamiento de tensión en el molde, habría que considerar la relación entre la tensión de comportamiento termal, fluido y mecánico de todos los materiales relevantes, la colada, postizos y molde. Un factor también importante que hay que tener en cuenta es la formación de hueco causada como consecuencia del encogimiento durante la solidificación, ya que esto afectará a la transferencia de calor en el molde.

En algunos casos, el molde puede experimentar alguna deformación local plástica y así también la necesidad de considerar tanto el comportamiento elástico como el plástico del molde. Cualquier deformación severa local plástica en el molde limitaría su vida y por lo tanto debería ser evitado. Incluso cuando el molde funciona dentro de la zona elástica, su vida está bajo la influencia de las variables que ocurren durante el tratamiento.

Entonces, para la predicción de vida de fatiga del molde habría que considerar el ciclo completo del molde donde estará influenciado por:
La sujeción del molde.
La transferencia de calor entre la colada y el molde.
La transferencia termal de los canales de calentamiento y enfriamiento.
Las presiones de inyección.
La expulsión.
La lubricación del molde.

Con todo esto y basado en los resultados del análisis de tensión del molde, se puede concluir que la colocación cercana de los canales de refrigeración pueden tener una fuerte influencia en la vida del molde. Sin embargo, como los canales de refrigeración son necesarios para prevenir el recalentamiento del molde y para controlar la solidificación, realizar la simulación puede ser una solución para encontrar el mejor diseño en las etapas de diseño del molde.
Otro de los motivos principales para la formación de tensión son la resistencia mecánica del molde y gradientes no homogéneos de temperaturas. Por lo tanto, la influencia de una formación de hueco de aire entre el molde y la colada solidificada debe ser tenida en cuenta.

Durante la fase de llenado, el movimiento de la colada influirá en la historia termal y por consiguiente la solidificación creará tensiones. En algunos casos, parte de la colada podría comenzar a solidificarse durante la fase de llenado, conduciendo a tensiones. Esto también sólo puede ser predecido habiéndose realizado antes una simulación.