Selección de materiales y procesos para piezas de plástico de alto rendimiento

Este documento pretende ayudar a los ingenieros de diseño y a quienes les apoyan en la industria del plástico a seleccionar la secuencia de proceso y los materiales que maximizan el rendimiento de las piezas críticas para el servicio.

En la comunidad de los plásticos existe un gran folclore sobre las diferencias relativas entre las piezas de plástico mecanizadas y las moldeadas por inyección. Esta tradición es fácil de entender si se tienen en cuenta los valores de las fichas técnicas publicadas por los productores de resinas y formas. Los valores que figuran en las fichas técnicas de las resinas son casi siempre superiores a los publicados por los principales proveedores de formas(http://bit.ly/datasheetreview). No deje que esa observación le distraiga o frene su misión de diseñar y fabricar la mejor pieza posible. Este malentendido puede dar lugar a retrasos en la producción, a piezas de bajo rendimiento y/o por encima del presupuesto y, en el peor de los casos, a fallos inesperados.

Diseño de la pieza

Los elementos de cualquier diseño deben tener en cuenta:

1. Requisitos de rendimiento
2. Atributos dimensionales
3. Coste del objetivo

Los dos primeros parecen obvios, pero el coste objetivo a menudo se pasa por alto… después de todo «
¿no son todas las piezas de plástico menos caras de fabricar que una alternativa metálica?» No, no lo son.
Muchos polímeros de alto rendimiento superan el coste de los metales especiales, incluso en volumen. Los aspectos económicos favorables que suelen asociarse a la conversión al plástico provienen de la mejora del rendimiento del material y de la reducción de los pasos de fabricación asociados al moldeo por inyección de una pieza de plástico hasta su tamaño final en lugar de mecanizarla a partir de una forja, una fundición o una forma estándar. Sin embargo, en el coste debe incluirse el capital necesario para un molde si las piezas están previstas para el moldeo por inyección. Este coste debe tenerse en cuenta en el volumen previsto durante la vida útil de la pieza.

El mecanizado de piezas a partir de formas de stock elimina la necesidad de utillaje y mejora en gran medida la entrega de las primeras piezas, además de ofrecer ventajas de rendimiento y dimensiones de mayor precisión.

Selección de materiales

La elección de la resina para una nueva pieza debe tener en cuenta en primer lugar las necesidades medioambientales y de aplicación de la pieza. Las consideraciones relativas a la temperatura, los productos químicos y la luz solar se combinan con las necesidades de la aplicación, como la resistencia al desgaste, la fuerza, la transparencia, etc., para reducir el número de familias de materiales candidatos a un número manejable para su posterior consideración. Una aplicación aeroespacial que requiera un equilibrio entre la resistencia a altas temperaturas y la resistencia al impacto a bajas temperaturas para una pieza estructural podría llevar a un diseñador a la PAI de Torlon. O una pieza de O&G de fondo de pozo que requiera inercia química en vapor de alta temperatura podría llevar a un ingeniero a decidirse por el PEEK como familia de resinas. Los plásticos procesables por fusión, como el PEI, el PSU, el PPSU, el PPS, los acetales, el policarbonato, el poliéster e incluso los nylons, se consideran habitualmente para las piezas orientadas al rendimiento. Las respuestas a unas pocas preguntas clave pueden acortar generalmente la lista a 1 o 2 familias de materiales muy buenos.

• ¿Mi pieza es una pieza de rodamiento y desgaste o un componente estructural?
• ¿Cuál es el rango de temperatura de funcionamiento previsto?
• ¿Existen requisitos de apariencia (transparencia, color, etc.)?
• ¿Qué factores ambientales específicos hay que tener en cuenta?
• ¿Qué requisitos mínimos de resistencia se necesitan?
• ¿Es la resistencia a los impactos o la tenacidad un factor crítico?

Una conversación con un profesional del sector puede, por lo general, orientarle hacia algunas familias de plásticos con las respuestas a las preguntas anteriores.

Ahora es cuando el proceso de selección de materiales puede resultar complicado.

Cada familia de materiales se compone de muchos grados y tipos de viscosidad que tienen más significado para los que están en el mundo del procesamiento, pero una mejor comprensión de la terminología ayudará a los que diseñan piezas que generalmente poseen la llamada de material que aparece en un dibujo de ingeniería. Por ejemplo, Solvay suministra más de 8 grados de Torlon, cada uno con una composición ligeramente diferente y unas cuantas viscosidades diferentes (pesos moleculares) de cada grado, y más de 10 grados diferentes de PEEK, algunos con diferentes composiciones y otros con diferentes viscosidades. En cada una de las resinas base mencionadas se incluyen aditivos como fibra de vidrio y de carbono, grafito, PTFE, aceites, ceras y minerales para mejorar ciertas propiedades como la fuerza y/o la resistencia al desgaste. Esta situación existe para todas las familias de resinas, lo que significa que pueden existir muchos cientos de materiales candidatos para una pieza específica.

Entonces, ¿cómo elijo y cuándo hago mi elección final de grado?

Ahora es un buen momento para seleccionar provisionalmente el grado, pero antes de seleccionar permanentemente un grado y añadirlo a un dibujo de ingeniería, hay que tener en cuenta la selección del proceso.

Selección del proceso

Por lo general, la combinación del tamaño/forma de la pieza y el volumen previsto apuntan claramente a que el moldeo por inyección o el mecanizado son la vía de conversión adecuada.

Una vez que se conozca mejor la ruta de su proceso de conversión, es el momento de solicitar la opinión de sus proveedores. Aunque hay muchos materiales disponibles como formas para el mecanizado, no todos los grados de resina están disponibles en todos los tamaños.
Las formas extruidas se producen casi siempre con las resinas de mayor peso molecular
Sin embargo, muchos ingenieros hacen referencia a un grado de baja viscosidad diseñado para el moldeo por inyección en una impresión de una pieza que se va a mecanizar. Esto casi siempre conduce a problemas de abastecimiento y/o de costes. En la nomenclatura de Torlon, Torlon 4203L es la designación del grado de baja viscosidad (mayor flujo) designado para el moldeo por inyección. Los grados de viscosidad más altos utilizados en la producción de formas no incluyen la designación «L»(http://bit.ly/gradedesignation). Muchas impresiones incluyen una referencia a Torlon 4203L, aunque las piezas están destinadas a ser mecanizadas. Entre el sistema de denominación de grados de PEEK de Victrex, los grados 150 son de baja viscosidad (mayor flujo) y se desarrollaron para el moldeo por inyección de piezas de paredes finas, mientras que los grados 450 son más adecuados para formas extruidas y piezas de paredes gruesas. Una vez más, añadir una llamada de material para 150G para las piezas mecanizadas hará que el cumplimiento del dibujo sea imposible. Esta misma situación se da en muchos otros materiales, como los plásticos a base de acetal y nylon.

A menudo, las calidades reforzadas con vidrio y carbono son difíciles de encontrar en tamaños y formas mayores. Los moldeadores por inyección experimentados observarán las secciones transversales de las piezas y la geometría general antes de decidir el grado que llenará mejor la cavidad del molde, ya que a menudo hay 2 o 3 viscosidades entre las que pueden elegir. Recuerde siempre que las resinas de baja viscosidad (alto flujo) llenan las herramientas más rápidamente pero ofrecen menos resistencia como piezas de acabado. Equilibrar ambas exigencias forma parte de la selección de materiales.

El moldeo por inyección es una vía muy rápida y eficaz para fabricar piezas de plástico
pero hay que justificar un gasto inicial en utillaje. Hoy en día, los moldes oscilan entre 10.000 y 100.000 dólares o más. Las calidades reforzadas pueden plantear retos de procesamiento debido a la orientación de las fibras, pero casi siempre se superan trabajando estrechamente con su moldeador, que puede aprovechar años de experiencia anticipando el flujo del molde y la direccionalidad resultante de las propiedades mecánicas. Las formas extruidas permiten un proceso de mecanizado muy robusto que posibilita la mayor rigidez y resistencia posibles a través de la orientación de la pieza con poco o ningún gasto en herramientas o NRE. Las formas moldeadas por compresión permiten dar forma a ciertos plásticos no fundibles. Ejemplos de plásticos que sólo se moldean por compresión son el PTFE, el UHMW y casi todos los termoestables. Otros materiales, como el PEEK y el PAI, se procesan tanto por extrusión como por compresión. Aunque la resistencia mecánica/rigidez de la mayoría de los plásticos moldeados por compresión es inferior a la de sus hermanos procesados por fusión, pueden ser más estables dimensionalmente durante el mecanizado.

Como no todas las formas y tamaños son producidos de la misma manera por cada fabricante, pueden resultar diferentes características de resistencia y rigidez incluso dentro del mismo grado de material. Trabajar estrechamente con su maquinista y el fabricante de formas es la manera más fiable de garantizar que sus piezas son las mejores y capaces de funcionar como se necesita.

Las fases de producción durante la vida útil de una pieza pueden incluir tanto el mecanizado como el moldeado
. Muchas piezas se fabrican inicialmente mediante mecanizado cuando el volumen es bajo y el diseño aún es fluido, y posteriormente se pasan al moldeo por inyección una vez que el diseño está asentado y el concepto probado. Los ingenieros de diseño y aprovisionamiento deben tener experiencia en todas las rutas de producción o, al menos, deben trabajar con proveedores que tengan una amplia experiencia en el procesamiento de polímeros. Demasiadas veces los ingenieros de diseño se han visto frustrados al convertir piezas de plástico mecanizadas en piezas moldeadas por inyección esperando que todos los atributos de rendimiento sigan siendo los mismos. La orientación de las fibras, la dureza de la pieza, los índices de desgaste y la precisión son casi siempre diferentes entre las piezas mecanizadas y las moldeadas por inyección. Incluso el mecanizado de una forma o pieza moldeada por inyección puede dar lugar a características diferentes que el mecanizado (de una pieza) a partir de una forma moldeada por extrusión o compresión. Comprender estas diferencias desde el principio del proyecto ayudará a evitar sorpresas inesperadas en las fases posteriores de producción.

El diseño con polímeros de alto rendimiento, en el que el diseño de la pieza y el proceso son fundamentales para el rendimiento del sistema, requiere experiencia en todas las opciones de proceso previstas. La combinación única de Drake de extrusión, moldeo por inyección y mecanizado nos permite seleccionar siempre el mejor proceso para una pieza específica, teniendo en cuenta tanto la economía como el rendimiento.

Elija sus procesos y sus procesadores con cuidado recordando el adagio:

No hay procesos malos… pero hay procesadores e ingenieros desinformados
que no se informan sobre los requisitos funcionales y modifican su enfoque de la selección de materiales y procesos basándose en esta importante información.