ANÁLISIS ESCTRUCTURAL Y TÉRMICO DE UN MOLDE PARA INYECCIÓN DE POLIURETANO

CRISTIAN CAMILO GIRALDO FRANCO

2097335

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2019

ANÁLISIS ESCTRUCTURAL Y TÉRMICO DE UN MOLDE PARA INYECCIÓN DE POLIURETANO

CRISTIAN CAMILO GIRALDO FRANCO

Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico

Director FABER CORREA BALLESTEROS

Ingeniero Mecánico, PhD

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2019

Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecánico

CLARA EUGENIA GOYES

Jurado

EMERSON ESCOBAR NUÑEZ

Jurado

Santiago de Cali, 30 de mayo de 2019

3

4

CONTENIDO

pág.

RESUMEN 11

INTRODUCCIÓN 12

1. JUSTIFICACIÓN 14

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 18

3 ESTADO DEL ARTE 21

4 OBJETIVOS 23

4.1 OBJETIVO GENERAL 23

4.2 OBJETIVO ESPECÍFICOS 23

5 MARCO TEORICO 24

6 ANÁLISIS Y RESULTADOS 30

6.1 PROPUESTA DE MEJORA PARA EL MOLDE. 30

6.1.1 Estructura del molde. 34

6.1.2 Diseño de las levas. 39

6.1.3 Palancas. 41

6.2 CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES. 42

5

6.2.1 Perfil cuadrado de 3 mm en acero A500 grado C. 45

6.2.2 Chapa metálica A36 de 1/8”. 45

6.2.3 Madera aglomerada de 10 mm. 46

6.2.4 Aluminio 5016 rectificado de 3,5 mm. 46

6.3 RESISTENCIA ESTRUCTURAL DEL MOLDE DE INYECCIÓN. 46

6.3.1 Enmallado y preparación de la geometría. 47

6.3.2 Análisis de dependencia de malla. 49

6.3.3 Condiciones de frontera. 50

6.3.4 Deformaciones. 52

6.3.5 Esfuerzos. 53

6.3.6 Estimación de vida. 54

6.3.7 Factor de Seguridad 55

6.4 ANÁLISIS TÉRMICO 56

6.4.1 Condiciones de frontera 56

6.4.2 Temperatura resultante 58

7 CONCLUSIONES 60

6

8 RECOMENDACIONES 61

REFERENCIAS 62

7

LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Molde de inyección de los muebles de refrigeración 13

Figura 2Proceso actual de producción - Molde 18

Figura 3. Detalle de molde 19

Figura 4. Daños sobre la estructura 14

Figura 5. Desajuste del mueble por proceso de fabricación 15

Figura 6 Daños por proceso 16

Figura 7. Conjunto de refrigeración 24

Figura 8. Esfuerzos normales y cortantes 25

Figura 9. Isométrico de mejora del molde 30

Figura 10. Vista frontal del molde 31

Figura 11. Vista superior 31

Figura 12. Biela original del sistema 32

Figura 13. Vista explosionada del molde. 33

Figura 14.Estructura del molde. 35

Figura 15. Tapa superior exterior 35

Figura 16. Platina ajuste tapa superior con laterales 35

Figura 17. Tapa frontal exterior 36

Figura 18. Tapa lateral exterior 36

Figura 19. Estructura, sistema de movimiento del tanque. 37

Figura 20. Estructura, sistema de movimiento del vano. 37

Figura 21. Manija, Sistema de ajuste tapa superior. 38

8

Figura 22. Bisagras tapas exteriores molde. 38

.Figura 23 Platina fijación bisagra ajuste de tapas laterales. 39

Figura 24. Detalle levas. 40

Figura 25. Isométrico del ensamble de levas. 40

Figura 26. Levas vista frontal. 40

Figura 27. Biela, sistema de movimiento del tanque y el vano 41

Figura 28. Brazo palanca – isométrico. 42

Figura 29. Palanca para transmitir fuerza a los sistemas de movimiento – isométrico. 42

Figura 30. Conformación general de las tapas del molde. 43

Figura 31. Curvas esfuerzo – deformación de algunas calidades de acero. 45

Figura 32. Interferencias del modelo. 47

Figura 33. Ajuste de las bisagras. 48

Figura 34. Posición del molde. 48

Figura 35. Malla no estructurada utilizada. 49

Figura 36. Condición de frontera 1: Fixed Support. 51

Figura 37. Segunda condición de frontera, presión. 52

Figura 38. Deformaciones 53

Figura 39. Esfuerzos 54

Figura 40. Estimación de ciclos de vida. 54

Figura 41 Factor de seguridad nuevo diseño. 55

Figura 42. Factor de seguridad con elementos de diámetro menor 56

Figura 43. Condiciones de frontera: convección 57

Figura 44. Segunda condición de frontera térmica, temperatura 57

9

Figura 45. Temperatura del molde después del proceso 58

Figura 46. Gradiente de temperaturas en la estructura, corte de sección. 59

10

LISTA DE TABLAS pág.

Tabla 1. Numeración de piezas. 34

Tabla 2. Ficha técnica preliminar. 44

Tabla 3. Análisis de dependencia de malla 50

11

RESUMEN

En el presente trabajo se estudia el molde para inyección de poliuretano de las neveras utilizado en la empresa Imbera Cooling, el cual se encuentra fallando constantemente, lo que acarrea altos costos económicos por el remplazo de los componentes dañados, así como una disminución en la productividad, pues el molde se encuentres fuera de operación durante los servicios de mantenimiento y reparación.

Por lo anterior, se decide realizar un análisis el cual se hace por un modelo CAD del molde de inyección que se verifica por medio de elementos finitos utilizando el software ANSYS. Así, en primera instancia se realiza un análisis de falla del modelo actual, se corrige y modela para su verificación.

Como primer paso de la simulación, se determinaron las cargas térmicas a las que se somete y estas son exportadas al estudio de solidos donde se determinaron los esfuerzos, deformaciones y vida útil.

Se encuentra como conclusión que el nuevo diseño cumple los requerimientos esperados, se alargó la vida útil del molde. Así, se mejoro la confiabilidad del molde y del proceso de inyección de las neveras.

Palabras clave:

Inyección de Poliuretano. Análisis Estructural. Análisis Térmico. ANSYS.

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INTRODUCCIÓN

En la actualidad existen empresas enfocadas en el diseño de equipos que sirven para la conservación de productos, utilizando en su construcción moldes de inyección de poliuretano, resulta necesario conocer más acerca del proceso de inyección. Se encuentra vigente un problema en la industria de refrigeración relacionado a la calidad de los moldes, en los lotes de producción hay piezas con daños que no pasan la prueba básica de calidad. Como causa de esta falla en el proceso, se asumió inicialmente que era el molde de inyección mal diseñado, sin embargo, se hizo una breve evaluación de posibles causas previa al diseño.

Partiendo de esta hipótesis con este proyecto se pretende aumentar la vida útil de los moldes de inyección de poliuretano VR-08, utilizado en la fabricación de muebles para neveras, en el proceso se analizó la resistencia estructural del molde, con ayuda del programa Solid Works, así como la caracterización de los materiales y se propuso mejoras de la estructura del molde de inyección (Ver figura 1).

Es importante mencionar la necesidad de aumentar la vida útil de los moldes de inyección de poliuretano VR-08, debido al frecuente uso que la empresa IMBERA COOLING de fabricación de neveras les da a éstos, y teniendo en cuenta los altos estándares de calidad que manejan en su proceso de fabricación.

Para la realización de este proyecto se plantearon unos objetivos específicos enfocados en una investigación analítica. Se realizó el dibujo del molde en el programa CAD Solid Works, una vez terminado, se evaluaron las características térmicas del molde el software de elementos finitos ANSYS. Con los resultados obtenidos de la simulación, se puede lograr el objetivo específico tres, que busca proponer mejoras en el molde.

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Figura 1. Molde de inyección de los muebles de refrigeración

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1. JUSTIFICACIÓN

Este proyecto nace de la necesidad de aumentar la vida útil de los moldes VR-08 de inyección de poliuretano en los muebles de las neveras de refrigeración. Ya que el análisis del molde de inyección de poliuretano trae beneficios tanto económicos como ambientales, debido a que al mejorar el diseño de este molde se obtendrá una mayor vida útil, generando reducción en los costos de mantenimiento y de reparación.

De igual forma al mejorar el molde se mejora la productividad de la empresa, al no perder tiempo deteniendo la producción. Actualmente, la producción se detiene porque debido a los daños que se generan (como los presentados en la Figura 4), en los conjuntos inyectados por la pérdida de las tolerancias requeridas, el molde debe ser constantemente ajustado y recalibrado dentro de los parámetros de tolerancia para que los conjuntos estén dentro de especificaciones.

Figura 2. Daños sobre la estructura

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En las imágenes presentadas en la Figura 4, se muestra el desperfecto en las paredes externas del mueble del conjunto de refrigeración después de proceso de inyección en el cual las paredes no quedan planas, en unos sectores se observan pandeos lo cual significa que las paredes no conservan el espesor en toda la superficie.

Figura 3. Desajuste del mueble por proceso de fabricación

Por otro lado, en la Figura 5 se observa que las paredes externas del mueble no están a escuadra, esto produce que al momento del montaje de las bisagras y la puerta, las piezas no queden alineadas generando un mal sello, y repercutiendo en el funcionamiento del conjunto de refrigeración por entrada de aire.

Con base en lo anterior, se puede concluir que el proyecto busca aumentar la vida útil de estos moldes, reduciendo la generación de residuos, pues serán utilizados por mucho más tiempo. En el proceso actual, se generan residuos no aprovechables cuando los conjuntos se dañan en el proceso de inyección, la lámina y el poliuretano inyectados no son recuperables. A la lámina se le adhiere el poliuretano y para despegarlo se debe desarmar el mueble; en el caso del poliuretano después de estar endurecido este no es recuperable para el proceso, generando residuos.

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Figura 4 Daños por proceso

En la Figura 6 se muestra el desperfecto de separación de las láminas en el proceso de inyección debido a la perdida de las tolerancias entre las máscaras del molde; una estructura deficiente en las máscaras (paredes laterales) para el espumado de los muebles empleados en la fabricación de los refrigeradores presenten las siguientes no conformidades: Deformaciones plásticas en su estructura que se incrementan en el tiempo, desgaste y daños prematuros de sus partes, vida útil muy corta.

Las anteriores no conformidades aumentan los costos de mantenimiento de las máscaras (tapas laterales del molde que entran en contacto con el mueble a inyectar). De igual forma en las máscaras se presentan los siguientes efectos en los muebles espumados:

Las paredes de los muebles de los refrigeradores no queden planas

Los lados de los refrigeradores no tengan escuadra entre si

Los espesores de pared de los refrigeradores no queden homogéneos en una misma pared.

Esto incrementa las cantidades de productos no conformes en el proceso productivo y las reclamaciones posventa.

Las consecuencias de los efectos presentados en el mueble son:

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La apariencia estética del producto se ve comprometida al verse ondas en susuperficie

Al ensamblar una parte rígida sobre la superficie, esta presenta espacios entrela superficie de la pared y la pieza ensamblada, los cuales no aceptables desde elpunto de vista estético.

Al estar la superficie deformada, no permite buen sello de la puerta contra elmueble generado espacios por donde ingresa aire al interior del refrigerador, lo cualreduce el funcionamiento y rendimiento de este.

Se presentan desajuste en las uniones de las paredes del refrigerador entre sí,los cuales no son aceptados estéticamente.

Si los espesores de pared en la misma pared no son homogéneos, la densidadde la espuma dentro de estas cambia, lo que trae como consecuencia perdida de laresistencia a la compresión y por ende colapsa miento (Deformaciones críticas dela estructura del mueble del refrigerador) que se incrementan con el tiempo.

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2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Actualmente las empresas enfocadas a la conservación de productos (como por ejemplo almacenamiento de alimentos, productos farmacéuticos, procesos de abastecimiento de bebidas o líquidos fríos) cuentan con una gran variedad de métodos para el suministro de frio, además de constantes innovaciones en las tecnologías para refrigeración, las cuales ofrecen la posibilidad de conservar los productos frescos por mucho más tiempo. En la figura 2 se muestra el molde utilizado en proceso actual de producción.

Figura 5. Proceso actual de producción - Molde

Desde hace muchos años, la adquisición de refrigeradores se ha vuelto una necesidad para los establecimientos que manejan este tipo de productos (los que requieren una cadena de frio), proporcionar la mayor conservación del producto al cual esté enfocado su cliente final. Evidentemente, el uso de refrigeradores no se restringe únicamente a este sector comercial, se podría afirmar que casi todas las viviendas cuentan con uno.

Sin embargo, en estas empresas de conservación de productos, se realiza un proceso de inyección en poliuretano para los conjuntos de refrigeración. En este proceso se han identificado problemas en los moldes, ya que presentan deflexiones en su estructura causadas por las presiones generadas por la reacción química del poliuretano, y promovidas por la temperatura alcanzada.

Con base en lo expuesto anteriormente, el problema central de este proyecto radica en la corta vida útil del molde de inyección de poliuretano VR-08, cuyas posibles causas de daño son: diseño no idóneo del molde, materiales inapropiados para la

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construcción del mismo y la inexistencia de propuestas de mejora del molde VR-08. En la figura 3 se presentan componentes generales que componen el molde.

Figura 6. Detalle de molde

Tomando como referencia lo anterior, se plantea la siguiente pregunta de investigación: ¿Cómo aumentar la vida útil del molde de inyección de poliuretano VR-08, para la construcción de los conjuntos de refrigeración?

Como complemento, se establecen las siguientes preguntas que ayudarán a resolver este planteamiento:

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¿El molde de inyección de poliuretano VR-08 cumple con la resistencia estructural requerida?, ¿Cuál es la resistencia estructural requerida?

¿Cumplen los materiales empleados en la construcción del molde de inyección de poliuretano VR-08, con las características necesarias para la función que desempeñan dentro del componente cómo son las bisagras y las manijas de ajuste entre otros?

¿Cómo estimar el impacto que la temperatura genera al molde de inyección VR- 08?

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3 ESTADO DEL ARTE

Con el fin de encontrar herramientas que permitan ampliar los conocimientos sobre los moldes de inyección de poliuretano para los conjuntos de refrigeración, se realizó una búsqueda de investigaciones que abarcan desde el año 2006 hasta la actualidad, ésta se llevó a cabo haciendo uso de bases de datos tales como: EBSCO, Science Direct, E-libro y E-brary proporcionadas por la Universidad Autónoma de Occidente; utilizando las siguientes palabras claves: poliuretano, sistemas de refrigeración, sistema de inyección moldes, conjunto de neveras, resistencia estructural, caracterización, entre otras.

Realizaron un estudio para optimizar los parámetros del proceso de inyección de plásticos con el objetivo de minimizar la deformación en productos plásticos. Para ello los autores Presentan simulaciones mecánicas del molde donde la temperatura del plástico, temperatura del molde, presión de empaque, tiempo de empaque, y tiempo de enfriamiento son consideradas como variables de diseño. Los resultados revelan que el enfoque propuesto puede eficientemente apoyar a ingenieros a determinar los parámetros óptimos y alcanzar ventajas competitivas en términos de calidad y costos. (Alvaro, 2013)

Elaboro una síntesis de espumas rígidas de poliuretano obtenidas a partir de aceites de castor y poli glicerol empleando calentamiento por microondas. Durante su estudio se realizó la síntesis de espumas rígidas de poliuretano utilizando un macro polímero sintetizado a partir de aceite de castor y poli glicerol. Se evaluaron las propiedades mecánicas de las espumas como: densidad aparente (ASTM D1622-08), resistencia a la compresión (ASTM D1621), conductividad térmica (ASTM C177-04) y friabilidad (ASTM C421-8). Al final se evaluó el efecto de las microondas en las reacciones, donde se encuentra una disminución del tiempo; el seguimiento y la caracterización de los productos intermedios se realizaron mediante la cuantificación de valor acido por titulación (ASTM D4662-03) y numero de hidroxilos (ASTM D4274-05). (Mazo, 2011)

(Hernández., 2011) presentaron un proyecto donde se diseñó de un molde de inyección con un sistema de cavidades intercambiables y deslizantes, teniendo como objetivo principal diseñar un molde de inyección de probetas normalizadas, destinadas a ensayos mecánicos, utilizando un sistema novedoso de cavidades intercambiables y deslizantes. Partiendo de la experiencia y de las tendencias recientes en la industria a usar moldes con sistemas de cambio rápido, el presente trabajo plantea el diseño de un sistema de postizos intercambiables y deslizantes, bajo las especificaciones de las normas ASTM 6141 e ISO 294-1. Se formularon dos propuestas preliminares, considerando los dos movimientos posibles de los postizos en el sistema de placas de la máquina de inyección: vertical y horizontal.

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La evaluación comparativa de los pros y los contras de cada molde favoreció al sistema horizontal, debido a sus facilidades de manipulación y garantías para inmovilizar los postizos.

En su investigación aborda la problemática de un proceso de manufactura de la empresa ERC a través de una metodología de mejora de procesos que fue seleccionada entre diez y seis iniciativas de mejora que son las siguientes: juran; Crosby; Taguachi; Ishikawa; QDF; Kaizen; ISO 9000; PFMEA DoE; SPC; Deming; Q circles; Poka-yoke; proceso DMAIC; TQC y lean manufacturing. Se utiliza un método de clasificación y comparación en estas iniciativas de mejora para realizar la elección y entonces escoger el proceso DMAIC: definir-medir-analizar-mejorar-controlar para estudiar el proceso de manufactura de ERC denominado procesos de inyección de poliuretano.

Este trabajo utiliza progresivamente las primeras cuatro etapas del proceso DMAIC para formular una propuesta de mejora en los materiales y en las condiciones de operaciones del proceso de inyección de poliuretano.

Después de haber realizado esta revisión bibliográfica se puede concluir que todas tienen relación con la temática que abarca el proyecto y contribuye para la elaboración del mismo. Sin embargo, la metodología de este se basará en la tesis realizada en la universidad Nacional Autónoma de México, llamada: “Propuesta de mejora de un proceso de manufactura: el caso de una macroempresa de refrigeración comercial” (Reyes, 2013)

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4 OBJETIVOS

4.1 OBJETIVO GENERAL

Realizar una propuesta para aumentar la vida útil de un molde de inyección en poliuretano usado en los conjuntos de refrigeración, analizando estructural y térmicamente el molde.

4.2 OBJETIVO ESPECÍFICOS

Analizar la resistencia estructural del molde de inyección con ayuda delprograma Solid Works.

Ejecutar una caracterización de los materiales que componen el molde,comparándolos con los materiales que sugiere la teoría para el cumplimiento de lasfunciones que realiza el elemento.

Efectuar un análisis térmico al molde de inyección VR- 08, verificando ladistribución de la temperatura en el molde y que tan eficaz es el sistema derefrigeración que el molde posee.

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5 MARCO TEORICO

Para llevar a cabo el proyecto se debe tener en cuenta ciertos conceptos básicos que son de suma importancia para la comprensión de éste, A continuación, se explicarán éstas de manera precisa y apoyadas en el trabajo de “Propuesta de mejora de un proceso de manufactura: el caso de una macroempresa de refrigeración comercial”, que se tomará como base para este proyecto.

La refrigeración es el tratamiento de conservación de alimentos más extendido y el más aplicado, tanto en el ámbito doméstico como industrial. Su aplicación tiene la clara ventaja de no producir modificaciones en los alimentos hasta el punto de que, tanto productores como consumidores, entienden que los alimentos frescos son en realidad refrigerados.

Figura 7. Conjunto de refrigeración

Ahora bien, un conjunto de refrigeración es un espacio aislado térmicamente, en el cual se extrae la energía térmica a los productos que se van a encontrar en su interior, estas extracciones de energía se consiguen gracias a un equipo de refrigeración. Este conjunto en su constitución física cuenta con una cubierta lámina

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galvanizada o acero inoxidable, y un material base en su interior de poliuretano (Ver Figura 7).

Otro concepto relevante para el marco teórico es la resistencia de materiales, s una disciplina que estudia la mecánica de sólidos deformables. La resistencia de un elemento se define como su capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sobre él, así, esta disciplina, se ocupa del cálculo de los esfuerzos y deformaciones que se producirán, debiendo garantizar el ingeniero que las deformaciones estén dentro de unos límites permisibles y obviamente que no se produzcan roturas.

Los esfuerzos son las acciones internas, como resultado de las cargas externas a las cuales es sometido un elemento, también puede ser definido como la resistencia que ofrece un área unitaria del material del que está hecho un miembro para una carga aplicada externa (Figura 8).

Figura 8. Esfuerzos normales y cortantes

Esta magnitud depende de la fuerza aplicada y del área afectada, tal como se muestra a continuación:

(1)

Esfuerzos normales Esfuerzos cortantes

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La deformación es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo. La deflexión, o extensión de la longitud calibrada, está dada por l − l0 donde l es la longitud calibrada correspondiente a la carga P. La deformación unitaria normal se calcula a partir de:

(2)

Otro concepto relevante para el marco teórico es el de material. En ingeniería un material es entendido como una sustancia, elemento o más comúnmente, compuesto químico con una propiedad útil, sea mecánica, eléctrica, óptica, térmica o magnética. como interés de este proyecto se encuentran los materiales conocidos como polímeros, que son una partícula de peso molecular elevado, con una estructura compleja, formado por la repetición de una estructura menor, llamada monómero, producto generalmente orgánico.

El molde de inyección de plástico es un elemento hueco de metal especial, que es llenado con el polímero para producir una pieza con la forma deseada.

Funciones básicas del molde de inyección:

Recibir la masa plástica, distribuirla, darle forma, enfriarla, separarla al estado sólido, extraer la pieza.

Características de un molde de inyección:

Resistencia a la presión, resistencia al esfuerzo del flujo, exactitud.

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Los conceptos descritos previamente se relacionan al primer y segundo objetivo específico, para contextualizar el tercer objetivo se define la transferencia de calor atreves de placas:

Consideremos dos placas paralelas en contacto, con sus correspondientes espesores y conductividades. En la superficie de contacto la temperatura es T, común a ambas placas, y las temperaturas en las caras libres de las placas izquierda y derecha son T1 y T2 respectivamente, como se ve expresa a continuación.

(3)

En la superficie de contacto, q1 = q2 = q, es decir, un mismo flujo de calor atraviesa ambas placas. Despejamos las diferencias de temperatura:

(4)

Sumando las dos ecuaciones y despejando q, vemos que las placas tienen resistencias térmicas que están conectadas en serie. Sin fuentes o sumideros de calor en la superficie de contacto, el mismo flujo de calor atraviesa las dos placas. Este es:

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(5)

En términos del flujo Q, es:

(6)

Por otro lado, la conductividad térmica es la capacidad de transmisión de calor, como se ha mencionado previamente. Se puede ver esta propiedad como la resistencia que opone el material a conducir energía térmica. En el molde, el mejor aislante es la madera, pues es el material que tiene más baja la conductividad térmica, magnitud inferior a una unidad de Watio por cada metro kelvin; le siguen los aceros y por último el aluminio que es el material que más pérdidas de calor tendrá por conducción en el molde.

Así mismo, se aclara que el coeficiente de dilatación utilizado en este análisis es el volumétrico, ya que la expansión del material se dará en unidad de volumen. Esta unidad indica el cambio relativo del volumen por cada grado de aumento en la temperatura. El material que más se dilata es el aluminio, seguido de la madera y por último los aceros.

El último concepto asociado con el trabajo que se debe tener muy en cuenta es la la simulación computacional, que se utiliza ampliamente en las empresas para hacer análisis y mejorar la calidad de los productos y proyectos. La mayoría de estos análisis se llevan a cabo mediante uso de software que utilizan el Método de Elementos Finitos, el cual permite realizar analisis o modelado computacional para numerosos problemas de ingenieria (SolidWorks, 2017).

El método funciona cuando la geometría de la pieza, sometida a cargas y restricciones, se subdivide en partes más pequeñas, conocidas como “elementos”, que representan el dominio continuo del problema. La división de la geometría en

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pequeños elementos resuelve un problema complejo, al subdividirlo en problemas más simples, lo que permite a la computadora hacer las tareas con eficiencia (Mirlisenna, 2016).

30

6 ANÁLISIS Y RESULTADOS

6.1 PROPUESTA DE MEJORA PARA EL MOLDE.

Para aumentar la vida útil de un molde de inyección en poliuretano usado en los conjuntos de refrigeración, se realiza una propuesta de mejora del molde en donde principalmente se mejora el diseño de las levas, que son las piezas más sensibles a dañarse. Actualmente, estas levas se dañan frecuentemente en el uso de los moldes, implicando altos costos de mantenimiento y residuos.

En la Figura 9 se presenta el isométrico del nuevo diseño del molde, mientras que las siguientes Figura 10 la vista frontal y en la Figura 11 la vista superior.

Figura 9. Isométrico de mejora del molde

31

Figura 10. Vista frontal del molde

Figura 11. Vista superior

En la Figura 12 Se presenta el isométrico con los diámetros del sistema de levas original y una foto del daño en este sistema.

32

Figura 12. Biela original del sistema

Para entender en detalle el diseño del molde, se presenta en la Figura 13 una vista explosionada del mismo. En esta vista se aprecian cada uno de los componentes que conforman el molde y serán explicados en las secciones posteriores. De igual forma, en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. se presenta la numeración de las piezas con la cantidad de elementos existente.

33

Figura 13. Vista explosionada del molde.

34

Tabla 1. Numeración de piezas.

6.1.1 Estructura del molde.

El molde es soportado por una estructura metálica, en la Figura 14 se muestra el isométrico de la estructura base.

35

Figura 14.Estructura del molde.

En la Figura 15 se muestra la tapa superior exterior que tiene el molde, mientras la Figura 16 muestra la platina que ajusta la tapa superior exterior con la tapa frontal exterior mostrada en la Figura 17 y tapa lateral exterior mostrada en la Figura 18.

Figura 15. Tapa superior exterior

Figura 16. Platina ajuste tapa superior con laterales

36

Figura 17. Tapa frontal exterior

Figura 18. Tapa lateral exterior

Dado que el sistema necesita un movimiento para expulsar el molde una vez realizado, se consideran la estructura mostrada en la Figura 19, que es el sistema de movimiento del tanque. El movimiento del tanque es efectuado gracias a una fuerza transmitida por varios mecanismos los cuales parten inicialmente del movimiento de la tapa superior al ser abierta o cerrada dependiendo del caso, cuando la tapa abre el mecanismo de levas, hace que las tapas inferiores del tanque colapse lo cual hace que las medidas entre tapas se reduzcan permitiendo que el molde salga libremente.

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Figura 19. Estructura, sistema de movimiento del tanque.

Figura 20. Estructura, sistema de movimiento del vano.

Por otro lado, la estructura mostrada en la Figura 20, presenta el sistema de movimiento del vano. El Vano es el espacio donde se ubican los elementos mecánicos del refrigerador, por ello debe también estar aislado por poliuretano. El movimiento que realiza en el sistema es para compactar en el momento que empiece la reacción química del poliuretano.

La Manija utilizada se presenta en la Figura 21, están ubicadas entre la tapa exterior superior y la tapa frontal exterior. Es gracias a este elemento que el sistema permite liberar el molde una vez el proceso de solidificación es terminado.

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Para ajustar la tapa superior al sistema, se utilizan unas bisagras mostradas en la Figura 22, en toda la tapa se utilizan 4 bisagras, al costado largo de la estructura. Esta bisagra tiene la finalidad de dar el cierre final entre las tapas debido a que este elemento hace la tensión necesaria en el cierre y mantener las tapas en su lugar al momento de la reacción del poliuretano, es decir, soporta la tensión del poliuretano al intentar expandirse en el molde.

Figura 21. Manija, Sistema de ajuste tapa superior.

Figura 22. Bisagras tapas exteriores molde.

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.Figura 23 Platina fijación bisagra ajuste de tapas laterales.

.

Para completar el sistema de sujeción de bisagras, la Platina fijación bisagra ajuste de tapas laterales mostrada en la Figura 23, se utiliza para las tapas laterales. La platina es la base para la ubicación de la bisagra, posee las perforaciones para la calibración de las tapas cuando se necesita.

6.1.2 Diseño de las levas.

Las levas son los elementos mecánicos que transforman el movimiento circular en movimiento rectilíneo, mostradas en las Figura 24, Figura 25 y Figura 26. Las levas son el mecanismo principal para dar el paralelismo entre las caras del molde y, resistir la fuerza de la reacción en las tapas interiores tanto del tanque como del vano. Son accionadas por el movimiento de la estructura-sistema de tanque y del vano, el cual obtiene su movimiento de las palancas y brazos que están conectados con la tapa superior exterior del molde, movimiento principal que acciona los otros movimientos del molde.

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Figura 24. Detalle levas.

Figura 25. Isométrico del ensamble de levas.

Figura 26. Levas vista frontal.

41

Ahora bien, las levas funcionan gracias al mecanismo de biela mostrado en la Figura 27. Este mecanismo sometido a esfuerzos de tracción o compresión, trasmite elmovimiento, y sus bielas son el principal problema del molde debido a que no se haencontrado hasta el momento el diseño predilecto para cumplir la función y, por lotanto, presenta un gran deterioro en muy corto tiempo, haciendo aumentar el tiempoen mantenimiento tras cortos periodos de trabajo.

Figura 27. Biela, sistema de movimiento del tanque y el vano

6.1.3 Palancas.

Las palancas hacen el esfuerzo mecánico de abrir el molde cuando ya se ha solidificado el material. En la Figura 28 y Figura 29 se presentan. Estos elementos tienen como función principal la trasmisión de movimientos en dos etapas del sistema:

Al abrir la tapa superior se requiere que las máscaras reduzcan sus dimensiones

Al cerrar la tapa se requiere que las máscaras ejerzan una presión determinadaen las caras del mueble y mantengan su posición durante la reacción delpoliuretano.

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Figura 28. Brazo palanca – isométrico.

Figura 29. Palanca para transmitir fuerza a los sistemas de movimiento – isométrico.

6.2 CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES.

Una vez terminado el diseño CAD del molde, se revisa si los materiales del que se realiza son los apropiados para cumplir el objetivo de la estructura. Se ejecuta y estudia entonces una caracterización de los materiales que componen el molde, comparándolos con los materiales que sugiere la teoría para el cumplimiento de las funciones que realiza el elemento.

En la Figura 30 en donde está la conformación general de las tapas, en orden son: estructura perfil cuadrado de 3 mm en acero A500 grado C; la segunda es chapa metálica A36 de 1/8”; luego madera aglomerada de 10 mm; sigue nuevamente la

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chapa metálica A36; y después 3,5 mm de lámina de aluminio rectificado. Estos materiales son con los que se construye el molde actualmente en la empresa. La selección de materiales para la construcción de los moldes se ha realizado por medio del método empírico, por el conocimiento de persona encargada de la construcción de los moldes(este funcionario es un técnico soldador, el cual toma como referencia moldes enviados de la casa matriz de México) y la transmisión de los conocimientos de una persona a otra know How, los elementos y las piezas se construían con el material de mayor facilidad de consecución dando la posibilidad de ahorrar costos por comprar en gran cantidad. Dado que la empresa hace este proceso de forma empírica no se han definido los requerimientos técnicos como punto de partida para la selección de materiales, más allá que sean aislantes y resistentes.

Figura 30. Conformación general de las tapas del molde.

La función de los materiales presentados en la Figura 30 es contener la temperatura dentro del molde, de forma que el poliuretano al ser inyectado pueda tomar la forma del molde y este no tenga pérdidas considerables por calor.

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Tabla 2. Ficha técnica preliminar.

Material

Módulo de Young

Y [1010 Nm-2]

Conductividad térmica

λ [W(mK)-1)]

Coeficiente de dilatación térmica

α [10-6 °C-1]

Acero A500 grado C 19,5 47 - 58 33 – 39

Acero A36 20,6 47 - 58 33 - 39

Madera aglomerada 1,291 0,13 54

Aluminio rectificado 6,3 – 7 209,3 69

Para especificar las propiedades de los materiales se utiliza una ficha técnica, este es un documento en forma de sumario que contiene la descripción de las características técnicas del material de manera detallada (ICONTEC,2016). En función al objetivo del molde, se considera que las propiedades más importantes que deben tener estos materiales en la ficha técnica son módulo de Young (resistencia del material en su límite elástico), conductividad térmica (propiedad de los materiales de transmitir el calor) y la dilatación (es el aumento de tamaño que experimenta un material cuando se eleva su temperatura) (U. PUNTA, 2017),se presenta en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia..

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6.2.1 Perfil cuadrado de 3 mm en acero A500 grado C.

Es un material que según la normal ASTM A572 contiene máximo 0,23% de carbono, 1,35% de Magnesio, 0,04% de fósforo y 0,05 de Azufre (Corpoacero, 2015). Este material es normalmente utilizado para estructuras en columnas de secciones huecas cuadradas, circulares y rectangulares. Se recomienda que cuando se compre el material para construir el molde (Acero A500 grado C, acero A36 y el aluminio rectificado), el fabricante debe entregar unos certificados de calidad; La sola ficha técnica no garantiza que realmente el material cumpla las propiedades técnicas presentadas. Se debe recibir unos certificados de calidad que se hacen para cada fundición; para verificar que ese material realmente corresponde al certificado de calidad se debe hacer una trazabilidad, es decir, verificar que el número de colada esté impreso en el material.

6.2.2 Chapa metálica A36 de 1/8”.

Es un material que según la normal ASTM A572 contiene máximo 0,26% de carbono, 0,04% de fósforo, 0,05% de Azufre, 0,40% de sílicon y 0,20% de cobre.

El A36 ha sido uno de los grados de acero primarios para todos los tipos de estructuras. Se recomienda el uso de este acero porque tiene una curva esfuerzo-deformación ideal para este tipo de aplicación (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.); un rango elástico inferior al 3% de elongación, garantizando que no se deformará el molde debido a la presión del poliuretano en expansión. De igual forma, este acero tiene un incremento del punto de fluencia inferior a 3500 kg/cm (Gerdau Corsa, 2014); este valor es mucho mejor que la presión experimentada por el material en el momento de expansión del plástico inyectado.

Figura 31. Curvas esfuerzo – deformación de algunas calidades de acero.

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Este material es normalmente usado en placas de conexión, anclajes de barras redondas lisas y perfiles, cuerdas superiores e inferiores de armaduras, montantes y diagonales de armaduras, largueros tipo Joist, contravientos de cubiertas, entre otros (Corsa, 2014).

6.2.3 Madera aglomerada de 10 mm.

El aglomerado de madera es un material que se encuentra en tableros. Está compuesto por partículas de madera de diferentes tamaños, unidas entre sí por algún tipo de resina, pegante u otro material y posteriormente prensada a temperatura y presión controlada formando el tablero (AT, 2015). Este es un material muy versátil, apto para diferentes usos. En este caso se considera como capa aislante en las tapas del molde debido a que tiene baja conductividad térmica.

6.2.4 Aluminio 5016 rectificado de 3,5 mm.

Este es un aluminio que además de tener las características mostrada en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., es fácil de manipular, fácil de conseguir y además es económico. En conclusión, es un material comercial que se adapta a las necesidades del molde, además de ser reciclable, ligero y resistente (Alltub Group, 2019).

6.3 RESISTENCIA ESTRUCTURAL DEL MOLDE DE INYECCIÓN.

Para analizar la resistencia estructural del molde de inyección, se utiliza el software de simulación de SolidWorks, donde primero se debe verificar que el ensamble no tiene ninguna interferencia, luego se establecen los materiales con todas las propiedades físicas requeridas (ver

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Tabla 2. Ficha técnica preliminar) y una vez finalizados estos pasos se puede empezar el proceso de simulación.

Para diseños complejos como el del presente estudio, o más que complejos, con tantas piezas como el molde diseñado, es mejor utilizar un software robusto como ANSYS, en vez de Solidworks en la simulación. El primero tiene mejor capacidad de procesamiento, con SolidWorks se logran algunos resultados incipientes, pero no se logra que la simulación converja arrojando resultados lógicos, sino que la simplicidad que requiere hace que se omitan detalles importantes, perdiendo exactitud en el análisis.

El primer paso es realizar la malla y preparar la geometría, simplificando detalles del modelo que no son relevantes para la simulación, pero que consumirían tiempo en el procesamiento.

6.3.1 Enmallado y preparación de la geometría.

Al empezar la malla, se debieron eliminar 1086 interferencias en el modelo; estas interferencias respondían principalmente a los cordones de soldadura de la estructura, tal como se muestra en la Figura 32.

Se debe verificar que el molde esté en la posición de cierre, que es cuando recibe los esfuerzos por la expansión del poliuretano. Esta es la posición en la que las bisagras superiores están completamente cerradas, tal como se ve en la Figura 33 De igual forma se revisan las uniones soldadas.

También se ajusta en la posición vertical las compuertas laterales (Figura 34). Es importante fijar esta condición, porque los esfuerzos sobre las bisagras se generan en diferente forma y magnitud dependiendo de la posición en que estén. Según el análisis realizado previo a la simulación, es cuando están cerradas que se presentan mayores esfuerzos, pues el poliuretano intenta expandirse generando una fuerza normal sobre las superficies del molde, lo que se puede traducir en esfuerzos cortantes sobre las bisagras.

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Figura 32. Interferencias del modelo.

Figura 33. Ajuste de las bisagras.

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Figura 34. Posición del molde.

Antes de hacer la malla, se utiliza la herramienta de “simplificar modelo para enmallar”, en donde se omiten detalles que tienen dimensiones inferiores a 5 mm de longitud. Esto facilitará el enmallado y disminuirá las interferencias en el mismo. Este proceso podría tardar varios minutos. En Ansys se realiza la malla no estructurada mostrada en la Figura 35, esta malla tiene n elementos con n nodos.

Figura 35. Malla no estructurada utilizada.

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6.3.2 Análisis de dependencia de malla.

En la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. se presenta el análisis de dependencia de malla de la simulación realizada, se utilizó como parámetro de referencia la deformación máxima. Se corren dos simulaciones más a la de trabajo, entre la primera y la segunda simulación hay una diferencia del 13,8% en la deformación máxima. Entre la segunda simulación y la tercera hay una diferencia del 6,11% del parámetro de referencia. Posiblemente si se refinara más habría una tendencia a tener una mayor deformación, sin embargo, la carga computacional sería muy alta el computador no podría correrlo.

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Tabla 3. Análisis de dependencia de malla

Tamaño de malla Deformación máxima

Nodos: 935.242 Malla de trabajo 0.77054 mm

Elementos: 425.502

Nodos: 936.853 Malla de refinación 1 0.89746 mm

Elementos: 426.778

Nodos: 945.736 Malla de refinación 2 0.95588 mm

Elementos: 432.576

6.3.3 Condiciones de frontera.

Las condiciones de frontera son esas propiedades que le indican al programa en qué estado se encuentra la maquina funcionando, es decir, como esta fija, a que presiones o fuerzas está sometido, temperaturas a las que se expone, entre otras. Para este caso, se seleccionan dos condiciones de frontera, la primera se denomina Fixed Support se muestra en la Figura 36 e indica que la base esta fija al suelo, no tiene ningún tipo de movimiento relativo.

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Figura 36. Condición de frontera 1: Fixed Support.

La segunda condición de frontera utilizada es la de presión mostrada en la Figura 37, cuando el plástico del molde es inyectado genera una presión sobre las paredes del molde durante el proceso de enfriamiento, es en este momento en que se generan los mayores esfuerzos y posibles deformaciones sobre la estructura, por ende, es la condición crítica de este diseño y segunda condición de frontera.

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Figura 37. Segunda condición de frontera, presión.

6.3.4 Deformaciones.

Después de correr la simulación con las condiciones de frontera descritas, se obtienen los resultados de deformación y esfuerzos principalmente. En la Figura 38 se muestran los resultados de deformación, tal como se esperaba las caras en contacto directo con la expansión del polietileno son quienes sufren más los efectos del proceso; Sin embargo, se encuentra de forma satisfactoria que esta deformación es menor a 1 mm, valor mínimo que no representa un daño estructural considerable.

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Figura 38. Deformaciones

6.3.5 Esfuerzos.

De igual forma se revisan los esfuerzos que resiste la estructura durante el proceso de fabricación, se encuentra que estos están por debajo del esfuerzo de fluencia del material lo que permite concluir que no hay peligro por esfuerzos. Se estudian los esfuerzos equivalentes de von Mises, para los cuales el programa registra una magnitud inferior a 1.300 MPa, como se puede ver en la Figura 39.

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Figura 39. Esfuerzos

6.3.6 Estimación de vida.

Al igual que los resultados previamente presentados, la estimación de vida tiene resultados positivos, la estructura se sitúa en 106, representando un ciclo de vida infinito, tal como se puede ver en la Figura 40.

Figura 40. Estimación de ciclos de vida.

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6.3.7 Factor de Seguridad

El factor de seguridad para casi toda la estructura tiene un máximo de 15, Sin embargo, la parte más sensible a daño es el sistema de levas donde se encuentran factores de seguridad muy bajos de 1,38 se muestra en la Figura 41. Aunque este valor indica que es una pieza frágil, no sugiere que falle con gran facilidad, Sin embargo, se recomienda en futuros trabajos mejorar este diseño pues la pieza que sufre más por el proceso.

Para mejorar el factor de seguridad de este sistema, se reorganizaron los espesores de los componentes que conforman el sistema de levas, el espesor de la platina en forma de U paso de ser de 3/16” a ¼”, en el mismo material; esta platina en su diseño inicial era construida de un solo tramo y doblado para hacer la forma de U. Se mejoró construyéndola de tres elementos y soldados entre ellos aumentando así su resistencia mecánica.

El tornillo que se comporta como el eje principal, recibiendo las mayores cargas aumento su diámetro de 3/8” a ½” aumentando su a resistencia a la deflexión; el tornillo que une el sistema de levas con las platinas de sujeción a las tapas, se le aumento el diámetro de 3/16” a 1/4”, cabe notar que este elemento no presentaba tantos problemas en su desempeño, con estas modificaciones se logró alcanzar el factor de seguridad 1.38 en este sistema.

Figura 41 Factor de seguridad nuevo diseño.

En la Figura 42 se muestra el factor de seguridad 0.77 que arrojaba el análisis para los diámetros con menor dimensión.

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Figura 42. Factor de seguridad con elementos de diámetro menor

6.4 ANÁLISIS TÉRMICO

Ahora bien, para efectuar un análisis térmico al molde de inyección VR- 08, verificando la distribución de la temperatura en el molde y que tan eficaz es el sistema de refrigeración que el posee, se utiliza la misma malla de la simulación estructural, pero se utilizan diferentes condiciones de frontera.

6.4.1 Condiciones de frontera

Como primera condición de frontera, se coloca sobre todas las caras superficiales del molde una convección 30oC se muestra en la Figura 43, se escoge esta temperatura de convección porque es la que tiene el taller donde ocurre el proceso de fabricación, por ende, es el valor que más refleja la realidad del proceso.

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Figura 43. Condiciones de frontera: convección

La segunda condición de frontera que se utiliza es temperatura uniforme sobre las caras internas del molde, aquellas que estarían en contacto directo con la lámina de poliuretano inyectado, tal como se observa en la Figura 44, esta reacción se calienta hasta 120 oC, por lo que es este el valor que se coloca en la condición de frontera. En la figura, se muestra la estructura con un corte para poder visualizar mejor la condición descrita.

Figura 44. Segunda condición de frontera térmica, temperatura

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6.4.2 Temperatura resultante

En la Figura 45 se muestra la distribución de temperaturas obtenidas.

Figura 45. Temperatura del molde después del proceso

Para poder ver mejor el perfil de temperaturas, se realiza un corte sobre la estructura y se presenta en la Figura 46. Se puede ver que la mayor temperatura se encuentra sobre las caras en contacto directo con la lámina de poliuretano inyectado. Sin embargo, esta decrece hasta 30oC, de forma que la estructura externa se encuentra bien aislada. Lo anterior se logra gracias a la selección de materiales que permite un correcto aislamiento desde el contacto con la lámina de poliuretano inyectado a 120 grados, con la superficie exterior.

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Figura 46. Gradiente de temperaturas en la estructura, corte de sección.

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7 CONCLUSIONES

• El molde presenta una estimación de ciclos de vida de 106, lo que se consideracomo vida infinita. Con la propuesta de mejora o rediseño planteado, se lograráaumentar la vida útil del molde, principalmente en el sistema de levas, donde selogra aumentar el rendimiento.

• El análisis estructural demostró que las deformaciones que sufre el molde durantela expansión del polietileno debido a la fase de transformación liquido-solido, soninferiores a 1 mm, por ende, no se considera como crítico. De igual forma, el moldepresenta una estimación de ciclos de vida de 106, lo que se considera como vidainfinita. La pieza más sensible de todo el molde es el sistema de levas, este presentafactores de seguridad mínimos de 1,38.

• Mediante la caracterización de los materiales se comprobó que la madera resultaun excelente sistema aislantes, de bajo costo y fácil adaptación para este tipo deaplicaciones. Aunque el aluminio es un material con alta conductividad térmica, parala elaboración de moldes resulta ser un buen componente, pues es maleable,económico, fácil de conseguir y trabajar. Además, gracias al uso de madera comoaislante se compensa su alta conductividad térmica en el conjunto total.

• De acuerdo a los resultados de la evaluación térmica, hay un buen trabajo deaislamiento térmico, tal como se pudo observar en la simulación, las superficies queestán en contacto con el plástico inyectado están a 120oC, sin embargo, laestructura superficial está casi homogénea a 30°C. Se concluye entonces que laselección de materiales fue correctamente realizada.

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8 RECOMENDACIONES

Después de los análisis efectuados y observando el comportamiento del molde para IMBERA COOLING se recomienda utilizar elementos con mejores prestaciones mecánicas como son los materiales templados que poseen un mejor desempeño al desgaste sin sacrificar resistencia a la deformación (platinas de sujeción de las tapas al sistema de levas). Los elementos que funcionan como articulaciones o uniones básicamente el sistema de levas remplazar los tornillos por ejes lo cual permite controlar las tolerancias entre elementos y mejorar su comportamiento en los movimientos de desplazamiento; utilizar elementos de sacrificio los cuales serían los componentes que se pueden remplazar más fácilmente como son los ejes que son la unión entre sistemas.

Todo esto permite que sean más controlables las tolerancias que requiere el molde, conociendo de ante mano cuales serían los elementos que fallan o se desgastan en los sistemas por ser elementos de sacrificio.

Como última recomendación, se sugiere que los materiales con que se construye el molde cuenten con una ficha técnica certificada, lo que garantizaría la buena calidad de ellos y la composición esperada metalúrgicamente, para que de esta forma el molde tenga el comportamiento mecánico calculado.

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