TERMOFORMADO DEL COMPUESTO POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD CON REFUERZO LIGNOCELULOSICO

JOSUÉ LEONARDO BEJARANO ARÉVALO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE MECANICA BOGOTÁ D.C.

2003

TERMOFORMADO DEL COMPUESTO POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD CON REFUERZO LIGNOCELULOSICO

JOSUÉ LEONARDO BEJARANO ARÉVALO

Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico

Asesor JORGE ALBERTO MEDINA PERILLA Ingeniero Mecánico, Dr. Ing. Industrial

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE MECANICA BOGOTÁ D.C.

2003

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN 1

1. PROCESO DE TERMOFORMADO 4

1.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO 4

1.1.1 Calentamiento 5

1.1.2 Formado 5

1.1.3 Enfriamiento 5

1.1.4 Corte 6

1.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES PARA TERMOFORMADO 6

1.2.1 Memoria plástica 7

1.2.2 Elongación en caliente 7

1.2.3 Resistencia en caliente 7

1.2.4 Rango de temperatura de formación 8

1.3 VARIABLES DEL PROCESO DE TERMOFORMADO 8

1.3.1 Variables en la lámina 9

1.3.1.1 Espesor de lámina 9

1.3.1.2 Orientación de la lámina 9

1.3.1.3 Temperatura de la lámina 9

1.3.1.4 Pigmentación de la hoja 10

1.3.2 Variables del molde 10

1.3.2.1 Orificios de vacío 10

1.3.2.2 Superficie del molde 11

1.3.2.3 Temperatura del molde 12

1.3.3 Variables en el pre-estirado 12

1.3.3.1 Temperatura del aire 12

1.3.4 Otras variables involucradas 13

1.4 GUÍA DE PROBLEMAS Y SOLUCIONES 14

1.5 MOLDE S PARA TERMOFORMADO 19

1.5.1 Criterios para el diseño de productos termoformados 20

1.5.2 Criterios para el diseño del molde de termoformado 20

1.5.2.1 Adelgazamiento en el espesor del material 23

1.6 MATERIALES 24

1.6.1 Polietileno de alta densidad 24

1.6.2 Descripción del cisco de café 25

1.6.3 Agente acoplante 26

2 MATERIALES Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 28

2.1 DESCRIPCIÓN DEL POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD 28

2.2 DESCRPCIÓN DEL AGENTE ACOPLANTE 29

2.3 DESCRIPCIÓN DE LA MEZCLA 30

2.4 TAMIZADO DEL REFUERZO 31

2.5 SECADO Y MEZCLADO 32

2.6 PELETIZACIÓN DEL MATERIAL 35

2.7 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL 37

2.7.1 Propiedades de tensión 38

2.7.1.1 Preparación de las probetas 38

2.7.1.2 Montaje de la prueba de tensión 40

2.7.2 Resistencia al impacto 40

2.7.2.1 Preparación de las probetas 41

2.7.2.2 Montaje de la prueba de impacto 42

2.8 MOLDEO POR COMPRESIÓN 42

2.8.1 Equipos empleados en el moldeo de lamina 43

2.8.2 Parámetros seleccionados para el moldeo de lamina 44

2.9 TERMOFORMADO DE LAMINA 46

2.9 HERRAMIENTAS USADAS PARA EL TERMOFORMADO 46

2.9.1.1 Termoformadora 46

2.9.1.2 Molde 47

2.9.2 Variables del proceso particular de termoformado 50

2.9.3 Determinación de la temperatura de desmolde 51

2.9.4 Metodología empleada en la determinación de la ventana de operación 52

2.9.5 Pruebas realizadas al producto terminado 53

2.9.5.1 Ensayo de compresión del producto termoformado 53

3 ANALISIS DE RESULTADOS 55

3.1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL 55

3.1.1 Resultados de la prueba de tensión 55

3.1.2 Resultados obtenidos en la prueba de impacto 57

3.2 TERMOFORMADO DE LA LAMINA 57

3.2.1 Resultados obtenidos de la prueba de vícat 57

3.2.2 Ventana de operación del proceso 58

3.2.3 Evaluación cualitativa de las laminas 61

3.3 PRUEBA AL PRODUCTO TERMINADO 62

3.3.1 Resultado del ensayo de compresión 62

CONCLUSIONES 65

BIBLIOGRAFÍA 67

ANEXOS 69

LISTA DE ANEXOS

Pág.

A. RESULTADOS PRUEBAS DE CARACTERIZACIÓN 70

A.1 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE TENSIÓN 70

A.2 RESULTADOS DE LA PRUEBA DE IMPACTO 71

B. PLANOS DEL MOLDE PARA TERMOFORMADO 72

C. VENTANA DE OPERACIÓN DE TERMOFORMADO 75

D. DATOS PRUEBA DE COMPRESIÓN 76

INDICE DE TABLAS

Pág.

Tabla No. 1 Rangos de temperatura usados en el proceso de termoformado para diferentes

termoplásticos. (plastics handbook) 10

Tabla No. 2 Propiedades mecánicas de PE + cisco 50-50% a diferentes concentraciones de

anhídrido (García, Diego Iván) 27

Tabla No. 3 Resumen propiedades del Polietileno de alta densidad (HDPE) (Química

Comercial Andina S.A., Ref. GF4950) 29

Tabla No. 4 Parámetros de extrusión empleaos en el proceso de peletización 36

Tabla No. 5 Parámetros empleados en la fabricación de probetas mediante el método de

moldeo por compresión 39

Tabla No. 6 Parámetros usados en la realización de lamina en el moldeo por

compresión. 44

Tabla No. 7 Ensayo de tensión. Resistencia a la tensión. Norma ASTM D638 55

Tabla No. 8 Ensayo de tensión. Modulo de elasticidad. Norma ASTM D638 56

Tabla No.9 Resultados prueba de resistencia al impacto tipo Izod. Norma ASTM D256 57

Tabla No. 10 Resultados obtenidos de la prueba de vícat 57

Tabla No. 11 Limite superior e inferior de termoformado para una lamina del compuesto

HDPE – Cisco de café. 60

Tabla No. 12 Carga máxima soportada por la pieza termoformada a 140°C 62

Tabla No. 13 Carga máxima soportada por la pieza termoformada a 150°C 63

Tabla No. 14 Carga máxima soportada por la pieza termoformada a 160°C 63

Tabla No. 15 Carga máxima soportada por la pieza termoformada a 170°C 63

Tabla No. 16 Carga máxima soportada por la pieza termoformada a 180°C 64

ÍNDICE DE FIGURAS

Pág.

Figura No. 1 Orificios de vacío 21

Figura No. 2 Curvatura en superficies planas 22

Figura No. 3 Ángulo de salida 22

Figura No. 4 Parámetros del % de adelgazamiento 23

Figura No. 5 Estructura del Polietileno de Alta Densidad 24

Figura No. 6 Cisco de café 25

Figura No. 7 Tamiz 32

Figura No. 8 Horno BLUE M(izq.) y recipiente utilizado (der.) 33

Figura No. 9 Unidad de tamboreo 34

Figura No. 10 Muestra de material mezclado 35

Figura No. 11 Dado peletizador montado en el Brabender 36

Figura No. 12 Rompimiento de hilos 37

Figura No. 13 Compuesto peletizado 37

Figura No. 14 Probetas de tensión e impacto 39

Figura No. 15 Montaje de tensión en maquina universal INSTRON 5586 40

Figura No. 16 Fresado de entalla en probetas para impacto 41

Figura No. 17 Maquina de ensayo de impacto 42

Figura No. 18 Prensa de moldeo marca Dake 43

Figura No. 19 Molde usado en el moldeo por compresión 44

Figura No. 20 Termoformadora ILLIG SB53C 47

Figura No. 21 Molde de termoformado 49

Figura No. 22 Medidor de temperatura vícat 51

Figura No. 26 Pieza con poca definición al alcanzar limite inferior 58

Figura No. 27 Pieza con mala apariencia al alcanzar limite el limite superior 59

Figura No. 28 Pieza termoformada con la mejor definición 60

Figura No. 29 Porosidades de la lamina termoformada 62

Figura No. 30 Resultados de los ensayos de compresión 64

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1

INTRODUCCIÓN

A través de los últimos años a nivel mundial se han desarrollado compuestos reforzados

con materiales lignocelulósicos con el fin de aplicarse en diversas situaciones. Estos

compuestos nacieron de la necesidad de reemplazar fibras que se habían utilizado por

muchas décadas y que resultaban ser costosas para la producción y también para el

entorno ambientalista. Estos refuerzos eran generalmente materiales minerales o fibras

de cristal, donde era necesario el uso de componentes muy pesados y resistentes que en

algunos casos la utilización de estas fibras podía prescindirse y reemplazarse por fibras

donde presenten menores densidades, mas flexibles y menos contaminantes. En

búsqueda de estas características se encontró que una buena alternativa, era el uso de

fibras naturales que muestran buenas propiedades mecánicas, costos bajos y

características que no presentan las fibras de cristal y minerales.

Este tipo de materiales ya se han desarrollado en muchos campos entre los cuales el

compuesto de matriz termoplástica y madera es el que a tenido mayor trayectoria en su

aplicación. Dentro de las múltiples aplicaciones en las que se ha incursionado los

compuestos naturales se encuentra la industria automotriz. En este gran sector ya se han

dado múltiples avances en la aplicación de estos materiales. Estos materiales son usados

en la producción de accesorios internos de un automóvil, como los que se encuentra los

tableros de instrumentos, los paneles de las puertas y demás adornos internos.

En el mundo de la industria automotriz han demostrado un especial interés sobre las

fibras de yute, cáñamo, kenaf, sisal entre otras debido a su flexibilidad y que se tienen

fibras mas largas que las obtenidas en la madera. Este tipo de fibras han sobresalido

debido a los estudios que les ha hecho los países que tienen estas plantas. Entre los

países se encuentra India como uno de los mayores impulsadores de esta tecnología,

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2

Brasil como uno de los países suramericanos pioneros en este campo, Estados Unidos y

Europa occidental como los grandes consumidores de este material.

Teniendo todas estas referencias sobre la aplicabilidad que tienen estos materiales

compuestos, el Centro de Investigación en Procesamiento de Polímeros (CIPP), del

Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes ha venido

desarrollando tecnología en el campo de los compuesto naturales o lignocelulosicos

desde los últimos años. Reemplazando la madera y algunos polímeros en algunas

aplicaciones. El objetivo principal es el de crear nuevas alternativas viables para evitar

la deforestación y apoyar los programas de reciclaje de resinas poliméricas.

El material desarrollado en el CIPP y que se utiliza en este proyecto tiene intención de

crear una nueva alternativa utilizando material autóctono de la región, como lo es el

material de refuerzo cisco de café manejado en este compuesto. Se han desarrollado

múltiples investigaciones en el departamento con el fin de ampliar esta tecnología.

Entre las que se encuentran las desarrolladas en la caracterización de nuevos materiales

empleando variadas matrices y refuerzos entre las que encontramos los proyectos de

Rodríguez 2000, Correa 2002, Morales 2002, García 2002 y Muñoz 2002 entre otros. Y

se encuentran las adelantadas para la aplicación o la viabilidad del uso de estos

materiales en procesos de manufactura, para obtener un nuevo producto. Con miras a

ampliar la investigación en el ultimo campo de desarrollo de los nuevos materiales, este

documento centra su atención en el estudio del compuesto de polietileno de alta

densidad y cisco de café en el proceso de termoformado.

En la primera unidad se encontrara una breve descripción del proceso del termoformado

y sus alcances en el mundo de los termoplásticos nombrando sus variables y

características involucradas en dicho proceso.

En el capítulo dos se encuentra consignado toda la descripción del proceso de

preparación del material, desde la etapa de tamizado para la selección de partículas a

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3

utilizar, continuando con el proceso de secado, mezclado y peletizado del material

compuesto. En este capitulo se encuentra una breve caracterización de este material

centrándose en las propiedades mecánicas del mismo como son los ensayos de tensión y

de impacto.

El capítulo siguiente se encuentra la descripción del proceso de formado de las laminas,

que serán el material a usar en el proceso de termoformado. En este capitulo se

encuentra consignado los equipos utilizados y montajes necesarios para la elaboración

de las laminas.

Finalmente en el capitulo cuatro se encuentra todo el proceso de termoformado del

compuesto, encontrándose los equipos utilizados, descripción de los métodos para la

selección de los parámetros involucrados en el proceso. Este capitulo concluye con la

evaluación de las laminas termoformadas desde el punto de vista cualitativo como

desde el cuantitativo por medio de una prueba de compresión.

Este estudio es un eslabón muy pequeño en la gran cadena del desarrollo e

investigación de nuevas alternativas en el campo de los polímeros, pero que servirá

como base para nuevas investigaciones en el ciclo de evolución de los productos

termoformados. Es de resaltar el hecho que esta investigación se centra en el desarrollo

del material desde el punto de vista técnico del material, pero hay que profundizar en

los temas de factibilidad económica para analizar la viabilidad de este material y

proceso a nivel industrial.

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4

1. PROCESO DE TERMOFORMADO

La palabra termoformado - compuesta por las raíces termo y formado – describe el proceso

en el cual se trasforma una lamina o película de un material termoplástico en un producto

terminado.

El presente capitulo, describe el proceso de termoformado haciendo énfasis en las variables

involucradas en dicho proceso y en las características del material empleado.

1.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

Los termoplásticos rígidos al ser calentados por encima de la temperatura de vícat (Ts)

muestran una reducción en su modulo de elasticidad y rigidez. Estos cambios se aceleran a

temperaturas mayores a la temperatura de transición vítrea (Tg), debido al cambio de

energía entre los enlaces intermoleculares.

El proceso se divide en 5 etapas generales:

• Calentamiento

• Formado

• Enfriamiento

• Corte

• Apilado

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5

1.1.1. Calentamiento

En el proceso de termoformado inicia desde un material termoplástico anteriormente

procesado para obtener la película o lamina termoplástica. Dicho material es calentado por

encima de la temperatura de transición vítrea (Tg) pero por debajo de su temperatura de

fundido (Tm), obteniendo así una lamina en estado visco – elástico. Este calentamiento se

logra por medios infrarrojos, contacto, inmersión o convección.

1.1.2. Formado

Obtenida la temperatura superior a la temperatura de transición vítrea (Tg), se aumenta la

elongación, desaparece prácticamente el limite de cedencia y la disminución del limite de

resistencia ultima a la tensión.

Una vez la lamina se encuentra en la temperatura optima de termoformado, esta es obligada

a tomar los contornos del molde, bien sea por medios mecánicos (herramientas, machos)

y/o por medios neumáticos (diferencial de presión por la aplicación de aire comprimido o

generación de vació entre el molde y la lamina), donde se procura mantener la temperatura

de la lamina constante. El efecto final es una lamina con la forma deseada, la cual fue

sometida a un estiramiento biaxial que tiene como consecuencia un adelgazamiento de la

lamina, proporcional al nivel de estiramiento a que fue sometido cada sector.

1.1.3. Enfriamiento

Terminada la etapa de formado es necesario eliminar gran parte del calor suministrado en el

ciclo de calentamiento con el fin de bajar la temperatura de la lamina hasta la temperatura

de desmolde, de otra forma puede ocurrir alabeos y distorsiones en la pieza. Este ciclo se

logra por medio de métodos convectivos o conductivos, teniendo especial precaución en

evitar los inconvenientes que estos pueden ocasionar en corridas largas de termoformado

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6

(como lo es la temperatura del molde en convectivos y los esfuerzos residuales en el

método conductivo).

En esta etapa es recomendable para obtener un buena tolerancia, el molde deberá ser un

poco mas grande que la pieza final, con el fin de prever la contracción del material y a su

vez se sostendrá la presión de vacío durante este tiempo de operación.

1.1.4. Corte

Después de que el ciclo de formado ha terminado, las piezas deberían ser cortadas para

eliminar el material excedente, rara vez la pieza final no requiere del corte, como en el caso

de anuncios luminosos. La mayor parte de los productos termoformados requieren algún

tipo de corte.

Se debe seleccionar el equipo y la técnica adecuados; de cualquier modo existen algunos

factores que determinan la selección, como es el caso de la medida de la hoja, el tamaño y

profundidad de la pieza, el nivel aceptable de aspereza de la superficie del corte, la

tolerancia dimensional requerida y la velocidad de corte entre otros.

1.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES PARA TERMOFORMADO

Básicamente cualquier material termoplástico puede clasificar para ser termoformado, pero

es prescindible resaltar las características y propiedades de estos materiales, que juegan un

papel fundamental en el proceso.

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7

1.2.1 Memoria plástica

La mayoría de los termoplásticos tienen una buena elasticidad en el momento de ser

calentados, dando así una orientación de las cadenas poliméricas en el momento de

aplicarse una carga al material.

Cuando la parte termoformada es llevada a la temperatura de formación, esta tendera a

regresar a su estado original, que en este caso se trata de la lamina no-orientada. Este

fenómeno se llama memoria plástica y puede ser empleado para llevar acabo correcciones

en los contornos de una parte terminada.

1.2.2. Elongación en caliente

Se ha mencionado que los materiales termoplásticos pueden ser elongados en caliente, pero

esta característica es dependiente del material y de la velocidad y temperatura que es

sometido en el proceso. De tal forma unos pueden incrementar entre 500%-600% sobre su

área original, mientras otros solamente permiten un 15% o 20%1.

1.2.3. Resistencia en caliente

Los materiales termoplásticos al ser llevados a la temperatura de formación se vuelven

altamente viscosos facilitando su procesamiento. Sin embargo hay materiales que en esta

condición presentan una alta resistencia y es necesario el uso de medios mecánicos para su

conformado, perdiendo en la mayoría de los casos detalles proporcionados por el molde.

1 FRIED, Joel R. Plastics Engineering Handbook of the society of the plastic industry, cuarta edición, Van Nostrand Company, 1976.

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8

1.2.4. Rango de temperatura de formación

Los termoplásticos empleados en el proceso de termoformado no tienen un punto de visco-

elasticidad marcado, por lo tanto su ablandamiento es proporcional al aumento de la

temperatura.

Este rango puede ser extenso o por el contrario corto, dependiendo directamente del

material empleado.

Uno de los factores que se tiene cuenta en la selección de un material para ser

termoformado es el entrecruzamiento de las moléculas o la masa molecular, ya que a mayor

grado de estos factores se necesitará de mayor energía para poder romper los enlaces

secundarios y provocar un deslizamiento de moléculas.

1.3. VARIABLES DEL PROCESO DE TERMOFORMADO

Existen en el proceso de termoformado variables que afectan la apariencia, calidad,

dimensiones y distribución del material en la pieza termoformada. Dichas variables pueden

ser agrupadas en tres grupos:

• Variables en la lamina.

• Variables del molde.

• Variables en el pre-estirado.

A continuación se describirá cada uno de los grupos de variables del proceso.

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1.3.1. Variables en la lámina

1.3.1.1. Espesor de lámina

Cuando se utilizan medios de calentamiento como lo son resistencias eléctricas o radiación

infrarroja, las variaciones en el calibre de lamina pueden provocar calentamiento desigual

ocasionando variaciones en la parte formada. Se recomienda tener variaciones en el espesor

de lamina menores a un 8%. En piezas muy profundas existirá un espesor de lamina, que

dependerá del espesor de lamina inicial, del área y de la profundidad de la pieza. En los

casos donde se encuentre variaciones del espesor entre hoja y hoja se deberá reducir la

temperatura de calentamiento para evitar un reablandamiento mayor del material.

1.3.1.2. Orientación de la lámina

La orientación de la lamina, obtenida en el calandrado en el proceso de extrusión, juega un

papel importante en el proceso de termoformado. Esta orientación asegura una estabilidad

dimensional y medidas con tolerancias más bajas, debido a un mínimo de encogimiento o

expansión del material durante el ciclo de calentamiento y moldeo. Debido al proceso

utilizado en la fabricación de la lamina que cubre este documento, esta variable no esta

presente en la lamina, por lo tanto no se profundizara en sus efectos que tiene esta en la

lamina termoformada.

1.3.1.3.Temperatura de la lámina

Todo material termoplástico presenta temperaturas especificas de procesamiento. En la

tabla No. 1 se muestra temperaturas empleadas en el proceso de termoformado, para

diferentes termoplásticos.

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10

Material Temperatura de desmolde °C

Límite inferior de procesamiento °C

Temperatura de formación °C

Límite superior de formación °C

HDPE 82 127 146 182 ABS 85 127 146 182 PS 85 127 146 182 ACRILICO 85 149 177 193 PVC 66 93 118 149

Dentro de la tabla es posible mostrar un rango de temperatura en el cual puede realizar un

proceso de termoformado exitoso ya que teniendo la temperatura de degradación del

material de refuerzo se encuentra en 180 °C, se puede tomar todo el rango de temperaturas

del polietileno de alta densidad, sin embrago es necesario asegurar que la lamina alcance

todas las partes del molde antes que la matriz llegue al limite inferior de formación.

1.3.1.4. Pigmentación de la hoja

Las diferentes pigmentaciones del mismo material, influye en el ciclo de calentamiento y

temperatura de la lámina cuando se utiliza radiación (resistencias eléctricas) para su

calentamiento.

1.3.2. Variables del molde

1.3.2.1.Orificios de vacío

En el proceso de vacío es necesario un optimo tamaño de orificios de vacío. Teniendo en

cuenta que estos afectan la velocidad con que se genera el vacío, estos determinaran una

buena calidad del producto termoformado.

Tabla No. 1 Rangos de temperatura usados en el proceso de termoformado para diferentes termoplásticos. (plastics handbook)

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11

Para lograr un buen acabado en la pieza se debe obtener un estiramiento por vacío rápido.

En un vacío lento las paredes que toquen el molde se enfriaran mas rápido que el resto de la

lámina, dando una distribución no uniforme del material en el molde.

El vacío se hace a través de los orificios en las paredes del molde sobre todo en lugares

donde se tiene las partes criticas del molde, como lo son las partes mas profundas y en

zonas donde el aire pude quedar atrapado en el ciclo.

Es necesario que el tamaño de los orificio sea lo suficientemente grandes para obtener un

buen vacío pero a la vez que no deje marcas en la pieza final. El tamaño de los orificios

recomendado por el Plastics Engineering Handbook son de 0.021 in y 0.0135 in (0.53mm –

0.34mm) cuando se emplean láminas delgadas y diámetros de 0.035 in y 0.020 in (0.89mm

– 0.51mm) para láminas de mayor espesor.

Otra factor importante que se debe tener en cuenta es el especiado entre los orificios de

vacío. En casos donde se necesite un gran detalle de las formas del molde el Plastics

Engineering Handbook recomienda utilizar un espaciado hasta de 0.25in (6.35mm) o

cuando sea posible utilizar canales o ductos de vacío por su mayor disposición en el

desplazamiento de aire.

1.3.2.2. Superficie del molde

En el momento del termoformado es importante tener en cuenta que el producto final

adquirirá la apariencia de la superficie del molde. En un acabado espejo de la superficie se

tendrá un superficie brillante en el producto final, sin embargo un acabado mate en la

superficie del molde resultara un producto opaco.

En el caso que se desee obtener superficies derrapantes u otras similares, estas por lo menos

deberán ser tres veces mayor que el espesor del material.

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12

1.3.2.3.Temperatura del molde

La temperatura en la superficie del molde influye directamente en una mejor apariencia de

la pieza formada, en la duración de los ciclos de formado y el tamaño de la pieza. El

encogimiento final de una pieza termoformada dependerá de que la temperatura

aproximada del molde sea similar al coeficiente de expansión térmica del material.

Por otro lado la fuerza gravitacional puede colapsar o deformar la pieza formada. Dado este

factor, la temperatura del molde debe estar por debajo de esta temperatura de vícat que será

la temperatura de desmolde.

1.3.3. Variables en el pre-estirado

Cuando se desea obtener productos de grandes profundidades o altos grados de

termoformabilidad requiriendo halados profundos, es necesario un pre-estiramiento de la

lámina, bien sea estirando o soplando una burbuja con el fin de obtener un distribución

homogénea del material en el producto final.

La burbuja obtenida debe tener aproximadamente el mismo espesor que se desea en la zona

inferior del producto termoformado, debido a que una vez la lámina toca la superficie del

molde, el estiramiento adicional que sufre en los puntos de contacto es mínimo.

1.3.3.1.Temperatura del aire

A menudo es deseable que el aire del sistema sea precalentado; la temperatura del aire en

un ambiente que se introduce al sistema puede provocar que la hoja se enfríe, afectando el

tamaño y la forma de la pieza. En materiales de espesor delgado, el problema de

enfriamiento es más severo. Con aire precalentado, la temperatura deberá estar alrededor de

un 10% debajo de la temperatura de la hoja. Es recomendable instalar un deflector o difusor

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13

de aire en la entrada del molde ya que puede prevenir un enfriamiento brusco en ciertas

zonas del material.

1.3.4. Otras variables involucradas

Adicional a los tres grupos de variables ya mencionados, se encuentran un cuarto grupo de

variables que afectan en termoformados de alta profundidad o requieren un estiramiento

profundo. Estas variables que son inherentes a las ayudas mecánicas o machos ayudadores.

Estas variables son:

• Forma de la ayuda mecánica.

• Material de la ayuda.

• Temperatura de la ayuda.

• Superficie de la ayuda.

• Altura de la ayuda.

• Velocidad de vacío de la ayuda.

• Profundidad de acción de la ayuda.

Debido a la técnica de termoformado cubierta por este documento no incluye ayuda

mecánica, no entrara en detalle en el estudio del efecto que tienen estas variables en el

proceso.

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1.4 GUÍA DE PROBLEMAS Y SOLUCIONES

En el proceso de termoformado a parte de tener varias variables, que determinan una buena

calidad del producto final, también se encuentran algunos problemas inherentes a el. Con

este fin se hará una lista de problemas con sus posibles causas y soluciones2.

DEFECTO CAUSA SOLUCION - Burbuja o ampolla en la hoja.

- Humedad excesiva. - Calentamiento muy rápido. - Calentamiento no uniforme.

- Presecar la hoja. - Calentar los dos lados de la hoja a 60° C (140° F). - Reducir la temperatura del horno. - Incrementar la distancia entre la hoja y el calefactor. - Verificar y arreglar el horno. - Verificar elementos calefactores.

- Detalles y formas incompletas

- Vacío insuficiente - Desplazamiento del vacío lento - Calentamiento insuficiente de la hoja

- Eliminar obstrucciones en el sistema de vacío. - Incrementar número de perforaciones. - Aumentar diámetro de perforaciones. - Mayor capacidad de tanques y bomba de vacío. - Fuga de línea. - Verificar el sistema de vacío por posibles fugas. - Utilizar canales de vacío en áreas posibles. - Aumentar temperatura o tiempo de calentamiento.

- Cambio de color en la hoja - Calentamiento excesivo - Baja temperatura del molde

- Reducir tiempo de calentamiento.

2 Lista sacada PLASTIGLAS DE MEXICO, S.A. DE C.V., Manual técnico de termoformado, www.plastiglas.com.mx. 1999.

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15

- Baja temperatura de la ayuda mecánica. - La hoja se adelgaza demasiado. - Enfriamiento de la hoja antes de completar su forma. - Inadecuado diseño de molde. - Material no adecuado.

- Disminuir temperatura del horno. - Calentar molde. - Calentar ayuda mecánica. - Incrementar el espesor de la hoja. - Colocar más rápido la hoja en el molde. - Aumentar velocidad de vacío. - Calentar el molde y ayuda mecánica. - Disminuir profundidad del molde. - Mejorar el flujo de aire de vacío. - Usar radios de curvatura mayores. - Cambio material.

- Alabeo o pandeo excesivo de la hoja.

- Hoja muy caliente. - Hoja demasiado grande en área.

- Disminuir tiempo de calentamiento. - Disminuir temperatura del horno. - Si es posible, reducir el tamaño de la hoja. - Utilizar pantallas, principalmente en el centro de la hoja (sólo para hornos con calentamiento infrarrojo).

- Marcas por enfriamiento en la pieza formada

- Hoja demasiado caliente - Ayuda mecánica con insuficiente temperatura - Baja temperatura del molde (El encogimiento cesa cuando hace contacto con el molde o ayuda fría).

- Disminuir la temperatura del molde. - Disminuir tiempo de calentamiento. - Elevar la temperatura de la ayuda . - Usar fieltro o franela suave en la superficie de la ayuda. - Elevar temperatura del molde y/o ayuda, sin exceder los rangos de temperatura. - Suavizar y/o redondear el

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molde en áreas críticas. - Pequeñas arrugas o marcas circulares.

- Hoja muy caliente. - Barrenos de vacío muy grandes.

- Disminuir la temperatura del molde. - Disminuir tiempo de calentamiento. - Rellenar y barrenar nuevamente a un diámetro más pequeño.

- Variación en el pandeo de la hoja.

- No hay uniformidad de temperatura en la hoja.

- Verificar que el horno no tenga corrientes de aire, es necesario incorporar deflectores.

- Arrugas durante el formado.

- Excesivo calentamiento de la hoja. - Excesivo pandeo de la hoja.- Vacío insuficiente.

- Disminuir temperatura del horno. - Disminuir tiempo de calentamiento. - En la medida de lo posible, aumentar la distancia entre los calefactores y hoja (sólo para hornos de calentamiento por radiación infrarroja). - Disminuir el rango de temperatura de moldeo. - Verificar sistema de vacío. - Incrementar orificios de vacío o canales.

- Líneas o zonas muy brillantes.

- Hoja sobrecalentada en el área de brillo.

- Utilizar pantallas para disminuir el calor en la zona. - En la medida de lo posible, incrementar la distancia entre calefactores y la hoja (Sólo en hornos de calentamiento por radiación infrarroja). - Disminuir el tiempo de calentamiento.

- Mala apariencia de la superficie de la pieza.

- Defecto causado por aire atrapado sobre la superficie lisa del molde. - Vacío insuficiente. - Excesiva temperatura del molde. - Insuficiente temperatura del

- Sandblastear la superficie del molde. - Incrementar el número de orificios de vacío. - Si las marcas aparecen aisladas, incrementar el número de orificios de vacío

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17

molde. - Superficie del molde demasiado áspera o rugosa. - Hoja sucia.

en la zona afectada . - Disminuir la temperatura del molde. - Incrementar temperatura del molde. - Suavizar la superficie del molde. - Hacer otro molde con otro material. - Limpiar la hoja.

- Distorsión excesiva o encogimiento después de desmoldar la pieza.

- Pieza desmoldada demasiado rápido.

- Prolongar el ciclo de enfriamiento. - Pasar la pieza a una plantilla de enfriamiento. - Utilizar algún refrigerante. - Utilizar vapor de agua en spray para disminuir la temperatura de la pieza. - Utilizar ventiladores eléctricos para enfriar la pieza dentro del molde.

- Excesivo adelgazamiento del espesor de la pared de la pieza.

- Técnica inadecuada de formado. - Variación en el espesor del material. - Calentamiento desigual de la hoja. - La hoja está a una temperatura excesiva. - Molde frío. - La hoja no está firmemente sujeta en el marco.

- Utilizar otra técnica de formado: vacío con retorno, presión de aire y ayuda mecánica, presión de aire y retorno con vacío. - Verificar que el material se encuentre dentro de las normas de calidad y/o solicitar reclamación del material. - Verificar la operación del horno. - Disminuir la temperatura del horno. - Disminuir tiempo de calentamiento. - Calentar el molde. - Incrementar presión de cierre. - Verificar posible variación en el espesor de la hoja.

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18

- Torcedura de las piezas. - Pieza no enfriada convenientemente. - Distribución desigual del espesor de la pared. - Diseño de molde inadecuado. - Diseño inadecuado de la pieza. - Temperatura insuficiente del molde.

- Ajustar el ciclo de enfriamiento. - Usar ayuda mecánica o técnica de pre-estiramiento. - Posible calentamiento desigual de la hoja. - Incrementar orificios de vacío. - Modificar molde. - En la medida de lo posible, modificar las áreas planas con una pequeña curvatura. - Incrementar temperatura del molde.

- Marcas de encogimiento en las esquinas.

- Superficie del molde demasiado lisa. - Vacío insuficiente.

- Sandblastear la superficie del molde. - Verificar sistema de vacío. - Agregar más orificios de vacío.

- Pre-estiramiento de la burbuja no uniforme.

- Insuficiente temperatura de la hoja. - Espesor desigual de la hoja. - Presión de aire insuficiente.

- Verificar condición de operación del horno. - Utilizar pantallas de enfriamiento (Sólo en hornos de calentamiento por radiación infrarroja). - Mayor tiempo de calentamiento a una menor temperatura . - Incorporar un sistema de distribución de aire con deflectores.

- Esquinas de espesor delgado en formados de profundidad.

- Técnica de formado inadecuada. - Hoja de espesor delgado. - Calentamiento no uniforme de la hoja - Calentamiento inadecuado del molde.

- Cambiar a otra técnica de formado. - Incrementar espesor de hoja. - Verificar la operación del horno. - Utilizar pantallas para cambiar la distribución de calor. - Cambiar la temperatura del molde.

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19

- La pieza se amarra a la ayuda mecánica.

- Ayuda mecánica (madera). - Ayuda mecánica (metal).

- Aplicar agente desmoldante. Cubrir con fieltro o franela suave. - Aplicar agente desmoldante. - Bajar temperatura de la ayuda. - Cubrir con fieltro o franela.

- La pieza se amarra al molde.

- Alta temperatura de la pieza. - El ángulo de salida del molde es insuficiente. - Molde construido en madera.

- Prolongar el tiempo de enfriamiento. - Disminuir temperatura del molde. - Dar ángulo entre 1° y 3°. - Cambiar a molde hembra. - Aplicar agente desmoldante.

- Las esquinas de la pieza formada se estrellan una vez en servicio.

- Inadecuado diseño de la pieza. - Concentración de esfuerzos en la pieza.

- Rediseñar la pieza. - Aumentar el radio de curvatura del molde. - Aumentar la temperatura de termoformado. - Asegurarse que la pieza ha sido completamente formada antes de que se enfríe por debajo de la temperatura de moldeo.

1.5 MOLDES PARA TERMOFORMADO

En el proceso de termoformado de una pieza es importante tener en cuenta la técnica

empleada para este fin, ya que si se tiene la técnica inadecuada para realizar el producto es

muy probable no tener las especificaciones adecuadas que se tenían en un principio en la

pieza final y en muchos casos se puede tener un fracaso con las consecuentes perdidas de

IM-2003-II-04

20

dinero, tiempo y recursos. Con esto en cuenta se enumerará un lista preliminar de los

factores relevantes en el diseño de un molde:

La forma y dimensiones de la pieza.

La apariencia deseada.

La técnica de termoformado.

Con base en estos factores, se podrá planear y anticipar posibles defectos de las piezas. A

continuación se mostrara las posibles variables que se tienen en el proceso de fabricación

de un molde.

1.5.1 Criterios para el diseño de productos termoformados

Es de mencionar que la técnica de termoformado aunque versátil y flexible, difiere en

cuanto apariencia y características en comparación con productos fabricados por otros

procesos (moldeo por inyección). Por tal motivo es imperante exponer las características

principales de un producto termoformado.

Se considerara un adelgazamiento en el espesor del material, dependiendo de la

forma, tamaño y técnica utilizada.

Deberá considerarse un ángulo de salida de moldeo entre 3° y 5°.

Se observara una contracción de la pieza del 0.6 y el 1% al enfriar.

La superficie de la pieza dependerá del pulido que tenga la superficie del molde.

En el diseño de la pieza es conveniente incluir radios de curvatura grandes. Aunque

es posible tener aristas, esto podría ocasionar rasgadura en el material.

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21

1.5.2 Criterios para el diseño del molde de termoformado.

En el diseño de un molde (teniendo en cuenta las anteriores consideraciones), es el volumen

de producción de piezas uno de los factores mas relevantes, ya que este marca o determina

el tipo de molde, material, acabado, técnica de temoformado, etc.

En el momento de escogencia del tipo de molde, es importante cual es la profundidad de la

pieza termoformada, ya que según lo aconsejado por el Manual Técnico Termoformado,

para piezas que requieran una profundidad menor a la mitad del ancho de la pieza es

posible la utilización de un molde hembra de lo contrario es mas indicado el uso de un

molde macho.

En los moldes se deberá tener los orificios de vacío con tal de desalojar rápida y mejor

forma el aire. También es importante la escogencia de la posición de estos orificios para

tener un perfecto estiramiento del material y que tome todas las geometrías que tenga el

molde. En casos que se quiera lograr un efectivo vacío se podrá agrandar el orificio por la

parte interna como se observa en la figura No.1.

En casos donde se requiere control de la temperatura en el ciclo de enfriamiento, se deberá

proveer al molde de conductos de enfriamiento para permitir la circulación de agua o aceite

a través del molde.

Figura No.1 Orificios de vacío

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22

Debido a la contracción que sufre el material después del enfriamiento de la pieza, se

deberá tener en cuenta el 1% que se contrae la pieza en casos donde las dimensiones del

producto son un factor critico.

Es de gran ayuda en piezas que contienen áreas grandes planas la utilización de pequeñas

curvaturas con el fin de lograr superficies planas al enfriar el material como se observa en

la figura No.2.

En el momento del desmolde de la pieza termoformada, no se puede utilizar ángulos rectos

en las paredes de la pieza que estén en contacto con el molde, por tal motivo se utilizara

ángulos de salida de por lo menos 3° como se muestra en la figura No. 3, ya que estos

facilitara la salida de la pieza del molde, evitando el amarre de la pieza final al molde.

Es recomendable redondear las aristas, ya que el formado en vértice acumula esfuerzos

internos. Por tal motivo la resistencia de la pieza será mayor utilizando orillas, esquinas y

cantos redondeados.

Figura No.2 Curvatura en superficies planas.

Figura No.3 Ángulo de salida

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23

Cuando se realiza un pieza que tiene partes débiles o tiene partes delgadas es aconsejable el

uso de costillas de refuerzo para darle mas resistencia. También es útil en áreas de la pieza

muy extensas.

En el caso que se desee realizar una pieza de moldes múltiples, se debe prever el espacio

entre los moldes, con el fin de prevenir arrugas, una distancia de 1.75 veces la altura de la

pieza, será lo adecuado según lo recomienda el Manual Teórico Termoformado.

1.5.2.1. Adelgazamiento en el espesor del material

En toda técnica que se utilice en el proceso de termoformado, el material sufre un

estiramiento debido a la ampliación del área de la superficie, produciendo un reducción en

el espesor de la lámina.

Uno de los factores relevantes para este adelgazamiento es el radio, definido generalmente

como el radio máximo de profundidad o altura con el mínimo espacio a través de la

abertura. Para estimar este adelgazamiento, uno deberá determinar el área de la hoja

disponible para el termoformado y dividirla entre el área de la pieza, incluyendo los

desperdicios. Teóricamente existe una formula para calcular el porcentaje de

adelgazamiento en moldes hembra, considerando que el material es revenido y estirado

uniformemente.

formadahojaladetotalAreahojaladedisponibleAreaazamientoadede =lg%

)22(lg%

DCECxDCxDazamientoadede

++=

(Ec. 1.1)

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25

Se obtiene por polimerización del etileno a presiones relativamente bajas (1-200 atm), con

catalizador alquilmetálico (catálisis de Ziegler) o un óxido metálico sobre sílice o alúmina

(procesos Phillips y Stardard Oil).

1.6.2 Descripción del cisco de café

El cisco de café cumpliendo la función de material de refuerzo, se encuentra como material

de desecho del procesamiento del café. Este proceso comienza con el recolectado del café

para posteriormente ser tratado por la despulpadora para quitarle al grano las envolturas

exteriores que se encuentran constituidas por proteínas, sustancias pépticas, azucares entre

otras. Finalizado el trabajo de la despulpadora el grano se pasa al proceso de fermentación y

seguidamente el de lavado y secado al aire. Terminado los anteriores procesos se tiene un

grano con solo una envoltura exterior que es conocida como cisco o pergamino de café.

Con el fin de quitar esta envoltura el grano es llevado a la maquina trilladora que por medio

de unas cuchillas rompen y separan el cisco dejando pasar la almendra. En la figura No 6 se

aprecia el cisco de café como sale de la trilladora.

Se sabe por medio de pruebas realizadas al cisco y bajo la norma ASTM E873 “Standard

test method for bulk density particulate biomass fuels” se obtiene la densidad a granel del

Figura No 6. Cisco de café

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26

mismo dando el valor de 0.329 gr/cm33. Características típicas de las fibras lignocelulosicas

es su alta higroscopicidad, debido a los grupos OH presentes en la cadena celulosa. El

porcentaje de humedad presente en el cisco de café según norma ASTM E871 “Standard

test meted of moisture analysis of particule wood fuels” obteniendo el valor de 10% en

peso3.

Una característica relevante para el procesamiento del cisco es su temperatura de

degradación. Para determinar esta temperatura se han realizado ensayos por medio de

métodos cualitativos, mediante criterios de cambio de color de las fibras. Estos ensayos se

realizaron utilizando 10gr como muestra y exponiéndola a diferentes temperaturas en una

forma gradual dentro de un horno de calentamiento convectivo. Con este método y

encontrando un cambio en el color de la muestra se determino que la temperatura de

degradación del cisco es de 180°C.

1.6.3 Agente acoplante

En la fabricación de un material compuesto es necesario la utilización de un agente

acoplante. Los agentes acoplantes son comúnmente utilizados para la adhesión de la

interfase, con el fin de promover la resistencia química y la resistencia del material.

El agente de acople cumplirá la función de unir los dos materiales, ayudando a crear

enlaces covalentes entre ellos, haciendo las veces de puente de acople entre los OH de la

celulosa y los carbonos del polímero.

3 Datos obtenidos Juan Carlos Muños Jaramillo, Desarrollo de una material compuesto con refuerzo lignocelulosico: Matriz polipropileno – refuerzo: Cisco de café. Universidad de los Andes 2002.

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27

En la tabla No 3. se puede observar las propiedades que se obtiene en el material

compuesto de polietileno de alta densidad y cisco (50% - 50%) variando la composición del

anhídrido maléico4.

Anhídrido Maléico %

Modulo de elasticidad

(MPa)

Esfuerzo tensión (MPa)

Resistencia al impacto (J/m)

0 1934 9,8 60,7 5 1503 13,8 71,9

10 1296 12,5 91,2 15 1149 11,3 93,1

4 Datos obtenidos de Diego Iván García , Materiales compuestos con matriz termoplástica y refuerzo lignocelulosico. Polietileno de alta densidad y cisco de café. Universidad de los Andes 2002.

Tabla No. 2 Propiedades mecánicas de PE + cisco 50-50% a diferentes concentraciones de anhídrido. (García, Diego Iván)

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28

2 MATERIALES Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En el primer paso del estudio del proceso de Termoformado, es la preparación de la materia

prima, mas aun teniendo en cuenta que se trata de un compuesto entre polietileno y un

refuerzo lignocelulosico como lo es el cisco de café. En el presente capitulo se mostrara las

características de estos materiales y su posterior tratamiento en la realización del

compuesto.

2.1 DESCRIPCIÓN DEL POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD

El polietileno de alta densidad usado en este proceso es un copolímero de peso molecular

medio. Por su estructura molecular, este material de uso general combina una elevada

resistencia al impacto y a las fisuras por esfuerzos ambientales (ESCR), presentando una

elevada rigidez.

En la tabla No. 2 se muestra un resumen de las propiedades que presenta el polietileno de

alta densidad usado en este proyecto.

MATERIAL: Polietileno de alta densidad (grado soplado)

PROPIEDADES METODO DE PRUEBA UNIDADES VALOR

PROPIEDADES FISICAS Índice de fluencia (190°C/2,16 Kg) ASTM D 1238 g/10 min 0,34 Índice de fluencia (190°C/21,6 Kg) ASTM D 1238 g/10 min 27 Densidad ASTM D 1505 g/cc 0,956

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29

PROPIEDADES MECÁNICAS Resistencia a la tracción ASTM D 638 Kg/cm2 (MPa) 255 (25) Límite elástico ASTM D 638 Kg/cm2 (MPa) 360 (35) Elongación ultima ASTM D 639 % 950 Modulo de flexión, secante 2% ASTM D 790M Kg/cm2 (MPa) 7600 (750) Dureza ASTM D 2240 Shore D 65 Impacto Izod ASTM D 256 KJ/m2 10

OTRAS PROPIEDADES ESCR ASTM D 1693 h 300

2.2 DESCRPCIÓN DEL AGENTE ACOPLANTE

Para el desarrollo de este proyecto se utilizo el anhídrido maléico como agente acoplante

entre la matriz termoplástica y el refuerzo lignocelulosico cisco de café. Este agente se

manejo en forma de compuesto, debido a su alta toxicidad en estado puro. Por este motivo

se utilizo el PE-maleato, el cual consiste de un compuesto a base de polietileno y disuelto

en él se encuentra el anhídrido maléico en concentraciones bajas de aproximadamente un

8% VV.

El PE-maleato que se mezcló en la realización del material compuesto fue el OREVAC

18370, distribuido por ATOFINA COLOMBIA S.A..

Tabla No.3 Resumen propiedades del Polietileno de alta densidad (HDPE) (Química Comercial Andina S.A., Ref. GF4950)

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30

2.3 DESCRIPCIÓN DE LA MEZCLA

A continuación se explicara con detalle como fue que se hizo la mezcla del compuesto, con

respecto a las cantidades manejadas en este proceso.

Para conseguir las mejores propiedades de la materia prima del termoformado, y en base a

los estudios anteriores realizados en la universidad (García 2002), se opto por hacer una

mezcla de 50% - 50% de matriz y refuerzo, teniendo la composición de la mezcla constante

durante el desarrollo de la experimentación.

Dados los resultados que dieron los anteriores trabajos sobre el comportamiento del

material a diferentes composiciones de agente acoplante se eligió el 5% MM de PE-maleato

en la mezcla. En esta composición se mostró un buen comportamiento del material,

marcando una significante mejoría respecto a una mezcla sin agente acoplante.

Ya escogido los porcentajes de la matriz-refuerzo y agente acoplante, se procede a la

mezcla de los mismo. Para efectos prácticos se realizara una explicación de una mezcla de

40 gr de compuesto, ilustrando el procedimiento efectuado en este trabajo para la mezcla

de estos materiales.

Teniendo que la mezcla se realizará 50% de polietileno y 50% de cisco de café y con un

porcentaje de 5% de agente acoplante, se empieza con pesar 19 gr de polietileno y 19 gr de

cisco de café dando con esto un porcentaje igual dentro de la mezcla de refuerzo y matriz.

Posteriormente se pesa 2 gr de anhídrido maléico dando con esto el 5% de agente acoplante

del total de la mezcla

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31

2.4 TAMIZADO DEL REFUERZO

En el proceso de mezcla de los materiales de refuerzo – matriz, un factor importante en el

material compuesto es el tamaño de partículas que se utilizara del refuerzo. En el trabajo

realizado por Diego Iván García donde realizó varias pruebas sobre las propiedades

mecánicas del material compuesto con diferentes tamaños de partícula de cisco en una

matriz de polietileno, se encontró como conclusión que el tamaño es inversamente

proporcional a las mejorías de las propiedades mecánicas del material compuesto, es decir,

mientras el tamaño de partícula sea mas pequeño se encuentra mejorías en las propiedades

mecánicas como lo es el aumento del modulo de elasticidad y de la resistencia a la tensión.

Con este fin de obtener buenas propiedades mecánicas, se escogió el tamaño de partícula

mas pequeño, pero a su vez teniendo en cuenta el mayor aprovechamiento del cisco que se

extrae de un bulto. Con esto se escogió un tamaño de partícula que pase por una malla con

1.2 mm por 1.2 mm entre cada una de las hebras que la componen. Este tamiz es clasificado

como MESH #16 que siendo aproximado según los resultados obtenidos en los trabajos

anteriores se esta aprovechando el 80% de un bulto de cisco de café.

Para escoger el tamaño de partícula, se realizó un tamiz que utiliza un angeo que tiene las

características anteriormente descritas. En al figura No. 7 se muestra el tamiz realizado y

utilizado para obtener las partículas que se añadirán en la mezcla.

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32

2.5 SECADO Y MEZCLADO

Teniendo la cantidad de cisco ya tamizada que se utilizara en el momento de la mezcla, es

necesario proceder a un proceso de secado de este material. Como se menciono en la

descripción de este material de refuerzo, el ser un material altamente higroscópico es una

característica relevante para el momento de ser procesado. Debido a esta cantidad de

humedad presente en su composición puede ocasionar un mal acople entre la matriz

termoplástica y los puentes generados por el agente acoplante.

También hay que tener cuidado que no se encuentre demasiada humedad en el material en

el momento de ser procesado, ya que esto puede ocasionar malas formaciones en el

producto terminado, dejando una mala apariencia o burbujas en la pieza.

Figura No. 7 Tamiz

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33

Con el fin de evitar los inconvenientes anteriormente mencionados se somete al cisco de

café a un proceso de secado, con esto se garantiza la extracción del mayor porcentaje de

humedad presente en él.

En el proceso de secado se introdujo el material en el Horno BLUE M, asignándole una

temperatura de 105°C durante 24 h garantizando así que el material tenga al final de este

ciclo un porcentaje de humedad menor al 1%. En la figura No. 8 se observa cual es el horno

utilizado y el recipiente que se utilizo durante este ciclo.

Este recipiente metálico se escogió debido a su facilidad de manejo del material en el

momento de finalizar el proceso de secado, ya que gozaba de un selle hermético entre el

recipiente y la tapa del mismo con tal de evitar que el material fuera contaminado por la

humedad del ambiente. A su vez este recipiente hace parte de la unidad de tamboreo que se

utiliza para la mezcla de materiales y en el proceso descrito a continuación se empleo para

este fin.

Figura No. 8 Horno BLUE M(izq.) y recipiente utilizado (der.).

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34

Habiendo terminado el proceso de preparación del cisco de café y teniendo la matriz

termoplástica y el agente acoplante, se procede a la mezcla de estos componentes con el fin

de obtener una mezcla homogénea de los componentes y así poder adquirir un material

confiable al finalizar el peletizado.

Para realizar el proceso de mezclado se tomo las cantidades de material requeridas para

cumplir las condiciones descritas en el capitulo 2.4 y fueron vertidas en un recipiente de

0.3m3, procurando no pasar de las 2/3 partes de capacidad que tiene tal elemento con el fin

de garantizar una mezcla homogénea después del proceso de tamboreo.

Para el proceso de mezclado se utilizó la unidad de tamboreo mostrada en la figura No. 9 y

se dejo por un tiempo de 15 min. donde se obtuvo una mezcla homogénea para ser

sometida al proceso de peletizado. En la figura No. 10 se pude observar la muestra del

material mezclado.

Figura No. 9. Unidad de tamboreo

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35

2.6 PELETIZACIÓN DEL MATERIAL

Una vez terminado el proceso de mezcla con el fin de obtener una material homogéneo se

debe proceder al proceso de peletizado, ya que con esta presentación del material se hará

mas fácil la formación de una lamina en el proceso de moldeo por compresión.

La peletización se llevo a cabo en la extrusora Brabender Plasticorder 814200 con un dado

de peletización de cuatro hilos tal como se observa en la figura No. 11.

Figura No. 10 Muestra de material mezclado

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36

Con el fin de establecer los parámetros de extrusión del material, se partió de los valores de

temperatura obtenidos por Diego Rodríguez5, y posteriormente se fue tomado los valores

que dejaran un mejor cordón, tomando como variables limite los valores de presión en el

dado y el torque en el tornillo. La tabla No. 4 consigna los valores finales empleados

durante el proceso de peletización.

MATERIAL : COMPUESTO HDPE-CISCO DE CAFÉ (50%-50%) TEMPERATURAS POR ZONA °C (°F)

ZONA ALIMENTACIÓN

ZONA DE MEZCLA

ZONA DE ENTRGA

DADO PELETIZADOR

VELOCIDAD DEL

TORNILLO (RPM)

140 (284) 150 (302) 160 (320) 180 (356) 80

Los hilos extruidos eran almacenados en un recipiente, ya que el sistema de enfriamiento

utilizando una piscina de agua para posteriormente ser llevados a la peletizadora no fue

exitoso, debido a que el hilo no era completamente homogéneo y se fracturaba muy

5 Rodríguez Andrade Diego, Diseño del proceso de extrusión para un polímero reforzado con fibras lignocelulosa. Universidad de los Andes. 2002

Figura No. 11 Dado peletizador montado en el Brabender.

Tabla No. 4 Parámetros de extrusión empleaos en el proceso de peletización

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fácilmente. Este defecto se puede observar en la figura No. 12 dando un inconveniente en el

procesamiento de este material ya que no da tiempos de servicio cortos en este ciclo.

Por tal motivo se almaceno en hilos y seguidamente se alimento la peletizadora Berlin

PELL2 con los hilos para convertirlos en pellets. Finalmente se tiene una buena

presentación del material en pellets tal como se puede observar en la figura No. 13.

Figura No. 13 Compuesto peletizado.

Figura No. 12 Rompimiento de hilos

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38

2.7 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL

Con el fin de ver que tipo de propiedades mecánicas presentaba este material después de ser

peletizado, se realizo unas pruebas de tensión y de impacto para poder tener un parámetro

de comparación con los materiales caracterizados por el ingeniero Diego Iván García.

Dichas pruebas se realizaron bajo las siguientes normas:

Prueba de tensión (Norma ASTM D638)

Prueba de resistencia al impacto (Norma ASTM D256)

Cada una de estas pruebas de caracterización se ejecuto de la siguiente manera:

2.7.1 Propiedades de tensión

La norma ASTM D638 proporciona un método para la determinación de las propiedades de

tensión de los materiales plásticos en forma de probetas estandarizadas de acuerdo con

condiciones ambientales y velocidades de prueba definidas.

2.7.1.1 Preparación de las probetas

Las probetas utilizadas en la prueba de tensión se realizaron por el método de moldeo por

compresión, de acuerdo con lo establecido en la norma ASTM D4703 (Standard test

method for compresión molding thermoplastic materials into test specimens, plaques or

sheets). Los factores de fabricación de las probetas se encuentran consignados en la tabla

No. 5.

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Temperatura de moldeo 180°C Temperatura de desmolde 40°C

Presión en el cilindro de la prensa 60000 lb en un cilindro de 5" (21,07MPa)

Tiempo de calentamiento sin presión 10 min Tiempo de aumento de presión 1min Tiempo de sostenimiento de presión y temperatura 1min

Flujo de agua en las placas 10 gal/min equivalente a una

velocidad de enfriamiento de 7°C/min

Como resultado del proceso de moldeo por compresión se obtuvieron probetas clasificadas

por la norma, como probetas tipo I, utilizadas en materiales rígidos y semirígidos con

espesor menor o igual a 7mm. Se puede observar las probetas salidas del proceso de

moldeo por compresión en la figura No.14.

Tabla No. 5 Parámetros empleados en la fabricación de probetas mediante el método de moldeo por compresión

Figura No. 14 Probetas de tensión e impacto

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40

2.7.1.2 Montaje de la prueba de tensión

En la realización de esta prueba se utilizo la maquina universal INSTRON 5586 que se

puede apreciar el montaje de la prueba en la figura No. 15.

2.7.2 Resistencia al impacto

En este ensayo se desea evaluar cual es la cantidad de energía absorbida en el momento de

fomentar la propagación de una grieta. Para realizar esta prueba se baso en los parámetros

dados por la norma ASTM D256 (Standard test methods for impact resístanse of plastics

and electrical insulating materials). En esta norma proporciona diferentes métodos para

evaluar la resistencia al impacto de materiales poliméricos. En este caso en particular se

implemento el método A de la norma (tipo Izod), con un péndulo de 2.71J.

Figura No. 15 Montaje de tensión en maquina universal INSTRON 5586

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41

2.7.2.1 Preparación de las probetas

Como en el caso descrito para la elaboración de las probetas de tensión y consignado en la

tabla No. 5 fue como se elaboraron esta probetas para impacto bajo la norma D4703. Pero

para cumplir su función en la prueba es necesario crearles una entalla por medio del empleo

de una fresa como se muestra en la figura No. 17.

El realizadas esta entalla se coloco en voladizo dichas probetas con la entalla hacia el lado

del impacto para finalmente medir la energía que se le remueve al péndulo en el momento

de golpear la probeta.

Figura No. 16 Fresado de entalla en probetas para impacto.

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42

2.7.2.2 Montaje en la prueba de impacto.

En la realización de esta prueba se tiene un montaje en el cual el péndulo golpea la probeta

y termina dando una marcación de la energía perdida debido al golpe que se tuvo en su

recorrido. Es de vital importancia antes de realizar la prueba evaluar cual es la perdida por

fricción en la maquina, ya que esto puede alterar los resultados obtenidos en el ensayo. En

la figura No. 18 se puede observar la maquina donde se hace el montaje del ensayo.

2.8 MOLDEO POR COMPRESIÓN

En el presente capitulo se mostrara como se realizo el proceso de moldeo por compresión

de la lamina empleada en el proceso de termoformado. En primera medida, se hará una

breve descripción de las maquinas y elementos que se utilizaron en este proceso y

Figura No. 17 Maquina de ensayo de impacto.

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44

de evitar que en el momento de hacer el moldeo y el material se pegue a los moldes, es

necesario el uso de unas hojas de aluminio entre el material y las dos placas anteriormente

descritas, además que estas le terminan dando un mejor acabado a la lamina formada. Para

fines de este proyecto fue necesario el uso de un suplemento en la cavidad del molde, ya

que es necesario el uso de un calibre de lamina menor al que se elabora con el molde usado.

Por esta razón se uso unas laminas con el tamaño de la cavidad del molde y que presenten

un calibre necesario para minimizar el calibre de la lamina. Se puede apreciar mejor este

montaje en la figura No.20.

2.8.2 Parámetros seleccionados para el moldeo de lamina

En la creación de la lamina se utilizo parámetros recomendados para la realización de

probetas descrita en la norma ASTM D4703. Es de tener en cuenta en este proceso que hay

que respetar la temperatura de degradación del material de refuerzo, ya que si se llega a

sobre pasar esta temperatura se creara un color café oscuro e irregular dando una mala

apariencia en lamina formada. A continuación en la tabla No. 9 se encuentra consignado los

parámetros empleados en la preparación de las laminas.

Figura No. 19 Molde usado en el moldeo por compresión.

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45

Temperatura de moldeo 180°C Temperatura de desmolde 40°C

Presión en el cilindro de la prensa 60000 lb en un cilindro de 5" (21,07MPa)

Tiempo de calentamiento sin presión 10 min Tiempo de aumento de presión con 3 precargas de 10000 lb 1min

Tiempo de sostenimiento de presión y temperatura 1min

Flujo de agua en las placas 10 gal/min equivalente a una velocidad de enfriamiento de

7°C/min

Finalmente se obtuvo una lamina con buen acabado superficial, con una estabilidad

dimensional en el área y en el calibre de la misma. El calibre de la lamina resultante fue de

1.26 mm y un porcentaje de variación en el espesor menor o igual al 8% como se establece

en la literatura como optima para ser termoformada. Una variación mayor no es

recomendada debido a un calentamiento no uniforme de la lamina.

En este proceso obtiene una característica fundamental en la lamina formada es que no

presenta orientación, como si se tiene en el proceso de extrusión y lo que se quiere es que

esta variable este presente en lo mas mínimo. Pero este proceso tiene el inconveniente de

ser poco eficiente en proceso de producción masivo debido a sus grandes tiempos de

servicio. Este tiempo de servicio se ve afectado debido a los tiempos usados en el

calentamiento y enfriamiento de las placas y comparándolo con la extrusión, este ultimo es

una mejor opción.

Tabla No. 9 Parámetros usados en la realización de lamina en el moldeo por compresión.

IM-2003-II-04

46

2.9 TERMOFORMADO DE LAMINA

En el presente capitulo se describirá el proceso de termoformado de la lamina compuesta de

HDPE y cisco de café, obtenida de acuerdo con los parámetros descritos en el capitulo

anterior.

Como primer caso se hará una breve descripción de los equipos usados en el proceso de

termoformado y su preparación previa a dicho proceso. Seguidamente se hará la

descripción de la metodología empleada para la determinación de la ventana de operación y

variables presentes en el proceso. Como punto final se expondrá los resultados obtenidos de

las pruebas a la placa termoformada.

2.9.1 HERRAMIENTAS USADAS PARA EL TERMOFORMADO

2.9.1.1 Termoformadora

En este proceso de termoformado se uso la termoformadora ILLIG SB53C compuesta por

sistema de calentamiento de radiación usando resistencias eléctricas. Este sistema permite

el calentamiento de la lamina a ser procesada en su cara superior y consta de un sistema de

moldeo por vacío. La figura No. 21 se observa la maquina termoformadora.

IM-2003-II-04

47

2.9.1.2 Molde

Con el fin de tener un producto terminado con la forma deseada y partiendo de una lamina,

es necesario el uso de un molde donde esta contenida la forma del producto final. En este

proyecto se realizo y uso un molde de termoformado de baja profundidad para utilizar un

método de termoformado por vacío. Para el diseño de este molde fue necesario el uso de

todas las recomendaciones dadas en el capitulo 1.3. Este molde se puede apreciar en el

anexo B en los planos de detalle.

Viendo los planos del molde se pueden apreciar 4 grupos de geometrías presentes en él. En

estos grupos se pretende evaluar al material en diferentes situaciones en las que puede ser

expuesto en una futura aplicación a nivel industrial. A continuación se explicara cada una

de estas secciones y cuales son los criterios que evalúan.

En la sección A-A se puede distinguir 5 cavidades con la misma área disponible de la hoja

y diferentes profundidades de formado. En estas figuras se desea evaluar el

Figura No 20. Termoformadora ILLIG SB53C

IM-2003-II-04

48

comportamiento del material a diferentes porcentajes de adelgazamiento, ya que viendo el

proceder del material y teniendo en cuenta la literatura, no se debe sobrepasar en un molde

hembra una profundidad mayor de la mitad del ancho de la pieza. Con esto se apreciara

hasta que profundidades y relacionado con el porcentaje de adelgazamiento la evaluación

cualitativa del comportamiento del material si es capaz de tomar las geometrías del molde.

En la sección B-B se observa tres diferentes figuras con el mismo radio de curvatura pero

con diferentes profundidades. En estas figuras se quiere observar el comportamiento del

material en figuras cilíndricas y ver cual es el perfil del espesor cuando se tienen este tipo

de geometrías. En este tipo de figura se presenta un adelgazamiento del espesor en la

curvatura inferior de la geometría dando aquí un punto critico de la figura termoformada.

Con esto se pretende evaluar como el material toma esta geometría y cuales van a ser las

mejores parámetros del proceso de termoformado para adquirir en mejor forma estas

geometrías.

En la sección C-C se tiene dos cavidades con el fin de poder extraer dos probetas para

evaluar las propiedades mecánicas, especialmente a las propiedades que se evalúan en una

prueba de tensión. Esto con el fin de apreciar los efectos del proceso de termoformado en la

lamina. Como se aprecia en la literatura hay posibilidades de encontrar variaciones en las

propiedades del material debido a direccionamientos o esfuerzos que tienen el material

debido a ser sometido a este tipo de proceso.

En la sección C-C en sector derecho se aprecia el perfil de dos cavidades que en la vista

superior del molde se ve que se cuenta con 4 cavidades que tienen la misma profundidad,

pero se encuentran separadas una de otra a diferentes distancias. Esta zona se diseño para

poder analizar el comportamiento del material cuando se tienen moldes múltiples y que

según literatura se debe prever el espacio suficiente para prevenir arrugas. Una distancia de

1.75 veces la altura de la pieza es la recomendada en este tipo de aplicación en un material

termoplástico. Se puede apreciar aquí varias razones de distancia con el fin de tener un

parámetro de evaluación de las temperaturas de procesabilidad y cual es la mejor distancia

IM-2003-II-04

49

que se debe tener en el molde o en la figura para poder tener un mejor producto

termoformado.

Todas esta geometrías se les tiene un ángulo de salida de moldeo de 3°, ya que este valor se

encuentra dentro del rango recomendado para productos termoformados evitando que el

producto se amarre al molde en el momento del desmolde. En la figura No. 22 se puede

apreciar el molde anteriormente descrito.

También en el momento del termoformado se evaluara ciertas características o posibles

defectos que determinen que no se encuentra en un óptimo proceso de termoformado.

Como se puede observar en el capitulo 1.2 se tiene una lista de posibles problemas y

causas, pero que en este caso se hará énfasis en el efecto de la temperatura en el producto

final.

En el momento de hacer uso de la termoformadora y el montaje del molde es necesario

ajustar la altura de la mesa de soporte del molde con el fin que el molde se encuentre al

mismo nivel del marco que sostiene la lamina a termoformar. Para efectos del montaje del

molde en la mesa de soporte que contiene el orificio de vacío principal, fue necesario el uso

Figura No. 21 Molde de termoformado

IM-2003-II-04

50

de silicona sellando todo el vértice donde se unen la superficie de la placa y las paredes que

marcan el perímetro del molde.

Teniendo el molde montado y la maquina ya preparada se procede a evaluar las variables

involucradas en el proceso de termoformado.

2.9.2 Variables del proceso particular de termoformado

En el proceso de termoformado expuesto en este documento, se obviaron variables que

intervienen en este proceso. Una de las variables que se omitieron fueron las relacionadas

con macho ayudador, dado que las profundidades que se manejan aquí son propias de un

proceso de vacío.

Por otro lado se puede prescindir de las variables relacionadas con el preestiramiento de la

lamina. Por otro lado se obvió la temperatura del molde debido a que el material del que se

construyo este (resina) no permite un buen control de esta variable.

Finalmente, las siguientes variables fueron tenidas en cuenta durante la determinación de la

ventana de operación del proceso de termoformado de las cavidades descritas en el anterior

capitulo.

Temperatura de los calentadores.

Temperatura de la lamina en calentamiento y desmolde.

Presión de vacío.

Tiempo de ciclo de calentamiento.

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51

2.9.3 Determinación de la temperatura de desmolde

La temperatura de desmolde es la variable que determina el momento en la cual se puede

extraer la pieza sin que se genere deformación del producto termoformado. Para su

determinación en el material compuesto se siguió el método señalado en la norma ASTM

D1525 (standard test method for vícat softening temperature of plastics).

Esta norma define la temperatura de Vícat como la temperatura en la cual una aguja de

sección transversal de extremo plano con área de 1mm2, bajo una carga de 1000gr, penetra

1mm dentro de una muestra de material de no menos de 3mm de espesor por 12 mm de

ancho.

Para la ejecución de esta prueba se utilizo un medidor de temperatura de vícat Custom

Scientific Instruments modelo CS-107 (figura No. 23).

El procedimiento de esta prueba empieza con colocar la probeta en el soporte del medidor y

seguidamente es sumergida en un baño de aceite. Este baño de aceite se le incrementa

gradualmente la temperatura a una velocidad de 2°C/min y la aguja poco a poco se ira

Figura No.22 Medidor de temperatura vícat

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52

introduciendo en el material. La temperatura se obtiene en el momento que la aguja haya

penetrado la muestra 1mm.

2.9.4 Metodología empleada en la determinación de la ventana de operación

En el desarrollo de esta prueba se debe escoger una temperatura inicial que se encuentre

dentro de un rango optimo de termoformado. Dado que no hay un rango de temperaturas

recomendado en la bibliografía para este material compuesto, se extrapolo las temperaturas

recomendadas en el polietileno de alta densidad que esta entre 130 °C y 180°C.

Concordante con este rango se inicio el ensayo con la temperatura de 140°C. Además de la

fijación de la temperatura de inicio se dejo fija la presión de vacío y se le asigno un valor de

0.35 Bar.

Una vez obtenido los parámetros de iniciación del proceso en la maquina, se procede al

montaje del termopar en la lamina. Para el montaje del termopar se estableció que este iría

en la cara inferior de la lamina durante el ciclo de termoformado.

Teniendo todo el montaje listo y los parámetros de iniciación de esta prueba, se corre el

primer ciclo bajo estas condiciones. Posteriormente se hace un barrido en forma ascendente

de la temperatura de la lamina hasta encontrar características no deseadas en la pieza

termoformada. Posteriormente se hace un barrido de la temperatura de la lamina en forma

descendente hasta obtener una pieza con detalles no definidos.

Encontrado el limite inferior se procedió a la determinación del limite superior del

termoformado. Este limite se fijo debido a la degradación del material de refuerzo.

Obtenidos los dos limites inferior y superior de termoformado, se procede a barrer las

temperaturas de los calentadores con el fin de ver la variación del tiempo en el ciclo debido

IM-2003-II-04

53

a esta variable y poder determinar diferencias en la pieza termoformada. Este barrido de

temperatura se hizo análogamente al realizado en la temperatura de lamina de forma

ascendente y posteriormente se procedió a descender la temperatura. El limite superior de la

temperatura de los calentadores fue establecida por la capacidad que tienen los calentadores

que esta establecida en los 590°C.

2.9.5 Pruebas realizadas al producto terminado

Debido a las características que tiene el material después de ser sometido al proceso de

termoformado, no fue posible utilizar una prueba de tensión, ya que esta no arrojaría datos

confiables para establecerlos como punto de comparación. No obstante se evaluó cual es la

carga soportada de cada una de estas piezas a compresión para poder tener una referencia

cuando se haga viable una propuesta del uso de este material a nivel industrial.

2.9.5.1Ensayo de compresión del producto termoformado

Con el fin de cuantificar el comportamiento mecánico de las piezas termoformadas, se

desarrollo un ensayo de compresión sobre una de las figuras de la pieza.

En este ensayo se empleo la maquina de ensayos Universales INSTRON 5586 con celda de

carga 2525-805 con capacidad de 5KN. La pieza es colocada en medio de dos soportes

cilíndricos, tal como se muestra en la figura No. 28.

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54

Para realizar esta prueba se sacaron 3 muestras de cada una de las combinaciones de

temperatura de lamina y de temperatura de calentadores. Estas muestras se extrajeron de la

pieza termoformada correspondientes a las cavidades que tienen 20mm por 20mm y 7.5mm

de profundidad, se seleccionaron por tener las mismas geometrías y fueron sometidas a las

misma condiciones de estiramiento en el proceso. Estas muestras se pueden observar en la

figura No. 29.

Una vez preparada la muestra, se somete a una carga gradual a una velocidad de

1.3mm/min, hasta observar que el esfuerzo aplicado empieza a disminuir. Esta disminución

indica que la pieza a colapsado y por consiguiente su estructura ya no se esta oponiendo a

la carga.

Figura No. 23 Montaje de la prueba de compresión

Figura No. 24 Muestras de compresión

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55

3 ANALISIS DE RESULTADOS

3.1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL

3.1.1 Resultados de la prueba de tensión

Los resultados obtenidos en la prueba de tensión basados en la norma ASTM D638 en el

material compuesto HDPE – cisco de café 50 – 50%, se encuentran consignados en las

tablas No. 6 y 7.

Además se encuentra consignado las graficas esfuerzo – deformación de cada una de las

probetas, obtenidas de dichas pruebas en la figura No. 16.

Numero de probetas 6Promedio (MPa) 16,84586366Media muestral (MPa) 16,70639061Máximo muestral (MPa) 19,85488372Mínimo muestral (Mpa) 13,86206751Desviación standard 2,344367167Varianza 5,496057413

Numero de probetas 6Promedio (MPa) 1938,798539Media muestral (MPa) 1934,262256

Tabla No. 7 Ensayo de tensión. Resistencia a la tensión. Norma ASTM D638

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Máximo muestral (MPa) 2104,624011Mínimo muestral (Mpa) 1680,719229Desviación standard 141,9312096Varianza 20144,46826

Compuesto HDPE-Cisco (50%-50%)

-5

0

5

10

15

20

25

- 0,0050 0,0100 0,0150 0,0200 0,0250 0,0300

%deformación(mm/mm)

Esn

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57

3.1.2 Resultados obtenidos en la prueba de impacto

Los datos obtenidos de las probetas del material compuesto se encuentran consignadas en la

tabla No. 8.

Numero de probetas 7Promedio (J/m) 80,6146049Media muestral (J/m) 80,1221302Máximo muestral (J/m) 93,976513Mínimo muestral (J/m) 68,5266573Varianza muestral 92,813721Desviación standard 9,63398781

En estos datos y comparando con los obtenidos por el Ing. Diego García, se puede apreciar

una mejora en la resistencia al impacto. Tambien se aprecia la gran variabilidad que tiene

los datos y esto a causa de un comportamiento frágil del material de refuerzo, con esto

quiero llegar a la conclusión que el material de refuerzo le da un comportamiento semejante

al cerámico en el material.

3.2 TERMOFORMADO DE LA LAMINA

.3.2.1 Resultados obtenidos de la prueba de vícat

En la tabla No. 10 se observa los resultados obtenidos de esta prueba de vícat.

Numero de probetas 2Promedio (°C) 131,35

Tabla No. 8 Resultados prueba de resistencia al impacto tipo Izod. Norma ASTM D256.

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Máximo muestral (°C) 131,9Mínimo muestral (°C) 130,8Varianza muestral(°C^2) 0,605Desviación standard (°C) 0,778

Como se puede apreciar en la tabla, una temperatura optima para el desmolde de la pieza se

encuentra por debajo de la temperatura arrojada por la prueba. Por la anterior razón, para

fácil manejo de la pieza y reduciendo el tiempo de ciclo del proceso de termoformado se

tomara como temperatura de desmolde los 100°C.

3.2.2 Ventana de operación del proceso

En el caso de la lamina termoformada para este material se obtuvo el siguiente limite

inferior en la temperatura de lamina. Esto se estableció por la falta de detalles en la pieza

final como se puede mostrar en la figura No. 24.

Tabla No. 10 Resultados obtenidos de la prueba de vícat

Figura No. 26 Pieza con poca definición al alcanzar limite inferior

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Se puede observar en la figura anterior que la parte superior izquierda el primer cuadro no

obtuvo la forma que tiene el molde, ya que le falta profundidad y el detalle del cuadrado.

En el caso de la determinación del limite superior se obtuvo las siguientes características

del producto: una coloración mas oscura y en este caso en forma irregular sobre la

superficie. Se aprecia en la figura No. 25 que esta pieza no alcanza a tomar de la mejor

forma los detalles del molde, pero sin embargo es la mejor que se obtiene comparada con

las temperaturas menores a esta.

Terminado la variación de las variables como fue la temperatura de formado de la lamina y

la temperatura empleada en los calentadores, afectando el tiempo de ciclo de calentamiento

y enfriamiento además de la apariencia de la pieza termoformada, se pudo establecer cual

fue la mejor lamina formada y establecer la temperatura optima de formado. Esta pieza se

puede apreciar en la figura No 26.

Figura No. 27 Pieza con mala apariencia al alcanzar limite el limite superior

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60

En la tabla No. 11 se puede encontrar las temperaturas de formado encontradas como limite

superior e inferior para el proceso de termoformado del material compuesto de matriz

HDPE y refuerzo cisco de café, para una lamina de 1.26mm de espesor.

CALIBRE DE LA LAMINA 1,26mm (0,0495")

LIMITE INFERIOR DE PROCESAMIENTO °C

(°F)

LIMITE SUPERIOR DE PROCESAMIENTO °C

(°F)

TEMPERATURA DE DESMOLDE

°C (°F)

150 (302) 170 (338) 100 (212)

Figura No 28 Pieza termoformada con la mejor definición

Tabla No. 11 Limite superior e inferior de termoformado para una lamina del compuesto HDPE – Cisco de café.

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61

Esta ventana de operación se baso entre que temperaturas de lamina se adquiría mejor las

características del molde, pero como se explicara a continuación se vera unos defectos que

se tienen en las piezas termoformadas dando una pieza de baja calidad.

3.2.3 Evaluación cualitativa de las laminas

En estas piezas se pudo apreciar unos defectos que evitan una buena apariencia del

producto final. En primer lugar se observo un defecto en la calidad de la superficie de la

pieza por la cara donde no tiene contacto con el molde. Las piezas presentan una rugosidad

demasiado pronunciada comparada con la lamina sin termoformar. Esto se puede apreciar

en la figura No. 26 donde se ve una diferencia entre el área que comprende el molde y

donde colocaron los soportes de la termoformadora para sujetar la lamina durante el

proceso de termoformado. De todas maneras en la cara que estuvo en contacto con el molde

si tuvo una buena apariencia en el acabado superficial.

Por otro lado se obtuvo en la lamina termoformada una variación en la distribución de

material. Se aprecio que no hubo homogeneidad en el estiramiento del material,

ocasionando porosidades en la pieza y por lo mismo no se hace un vacío efectivo en la

pieza para tomar todos los detalles del molde. Este defecto se puede apreciar en la figura

No. 27

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62

3.3 PRUEBA AL PRODUCTO TERMINADO

3.3.1Resultado del ensayo de compresión

Las tablas No. 12 a 16 se encuentran los resultados arrojados en la prueba de compresión

para las piezas termoformadas de 1.26mm de espesor

NUMERO DE MUESTRAS 9PROMEDIO (KN) 0,2897MEDIA MUESTRAL (KN) 0,2884MÁXIMO MUESTRAL (KN) 0,3445MÍNIMO MUESTRAL (KN) 0,2444DESVIACIÓN STANDARD 0,0294VARIANZA 0,0008

Figura No. 29 Porosidades de la lamina termoformada

Figura No. 12 Carga máxima soportada por la pieza termoformada a 140°C

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NUMERO DE MUESTRAS 9PROMEDIO (KN) 0,2430MEDIA MUESTRAL (KN) 0,2411MÁXIMO MUESTRAL (KN) 0,2950MÍNIMO MUESTRAL (KN) 0,1945DESVIACIÓN STANDARD 0,0322VARIANZA 0,0010

NUMERO DE MUESTRAS 9PROMEDIO (KN) 0,2629MEDIA MUESTRAL (KN) 0,2624MÁXIMO MUESTRAL (KN) 0,2992MÍNIMO MUESTRAL (KN) 0,2328DESVIACIÓN STANDARD 0,0175VARIANZA 0,0003

NUMERO DE MUESTRAS 9PROMEDIO (KN) 0,2933MEDIA MUESTRAL (KN) 0,2921MÁXIMO MUESTRAL (KN) 0,3471MÍNIMO MUESTRAL (KN) 0,2498DESVIACIÓN STANDARD 0,0276VARIANZA 0,0008

NUMERO DE MUESTRAS 9PROMEDIO (KN) 0,2569MEDIA MUESTRAL (KN) 0,2553MÁXIMO MUESTRAL (KN) 0,2776MÍNIMO MUESTRAL (KN) 0,1895

Figura No. 15 Carga máxima soportada por la pieza termoformada a 170°C

Figura No. 13 Carga máxima soportada por la pieza termoformada a 150°C

Figura No. 14 Carga máxima soportada por la pieza termoformada a 160°C

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DESVIACIÓN STANDARD 0,0285VARIANZA 0,0008

En la figura No. 30 se observa las cargas máximas clasificadas por temperatura de formado

y temperatura de los calentadores.

Ensayo compresión

0,000

0,1000,200

0,300

0,400

180 170 160 150 140

Temperatura de formado °C

Car

ga M

axim

a K

N

590 °C550 °C500 °CPromedio

Con estos resultados se puede apreciar una gran resistencia de las piezas termoformadas a

la temperatura de 170°C comparadas con las temperaturas que se encuentran entre el rango

de temperaturas de la ventana de operación, debido a su mejor formado y que el cisco de

café no a sido afectado por la temperatura. Con esto se puede sugerir los 170°C como

temperatura de termoformado.

Se observa que no hay mayor diferencia en la resistencia del material entre las temperaturas

de los calentadores, dado que no se tiene una gran variación en cada una de las

temperaturas y no se encuentra un patrón que correlacione esta variable con la resistencia

de la pieza.

Figura No. 16 Carga máxima soportada por la pieza termoformada a 180°C

Figura No. 30 Resultados de los ensayos de compresión

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65

CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos a través del ejercicio de desarrollo y cuantificación del proceso de

termoformado para un material compuesto de HDPE y cisco de café, demuestran que desde

un punto de vista técnico, el proceso es factible, teniendo en cuenta que se pudo copiar

parte de los detalles del molde de termoformado. Sin embargo la calidad del producto que

se mostró en esta investigación no es la mas optima.

Se puede apreciar que geometrías que exigen un estiramiento demasiado profundo, y

produciendo porcentajes de adelgazamientos altos, el material no se forma en una manera

adecuada, por tal razón se estaría limitando el uso del proceso de vacío solo a relaciones

máximas 2:1 en las dimensiones del área con respecto a la profundidad solicitada. Para

mayores grados de termoformabilidad se recomendaría el uso de ayudas mecánicas.

En la evaluación de las piezas termoformadas se encontró una imperfecciones muy notable

evitando que el proceso no se pudiera llevar a cabo en la mejor forma. Este punto se refiere

al desgarre que sufre este material en el momento del estirado en el proceso de vacío. Con

este problema no se puede lograr que el material llegue a todos los detalles del molde, dado

que estos desgarres producen orificio en la lamina creando escapes del vacío.

Como imperfección de estas laminas se encuentra la rugosidad que se genera en el

momento del calentamiento de la lamina. Este aspecto se podría mejora usando en el

proceso de termoformado un molde macho, ya que en la cara donde el material tuvo

contacto con el molde el defecto no es tan pronunciado, dejando una presentación

satisfactoria de la pieza por ese costado.

En el proceso de moldeo por compresión se observo que el material obtuvo un excelente

comportamiento dando estabilidad dimensional, obteniéndose una variación en el espesor

menor o igual al 8% recomendado en una lamina que se someterá al proceso de

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66

termoformado, evitando un calentamiento heterogéneo de la lamina. Es de resaltar la

acabado superficial que tiene las laminas por este proceso. Como inconveniente de este

proceso es su alto tiempo de servicio de una lamina, es decir, el tiempo empleado en la

fabricación de una lamina no es muy atractivo en un proceso a nivel industrial donde se

requiere tasas de salida del proceso altas y un tiempo en el sistema mínimo. Por este motivo

seria recomendable emplear un proceso de extrusión para la fabricación de las laminas.

Se pudo obtener en la medición de las propiedades mecánicas del material, similitudes con

los materiales investigados por el ingeniero García en su trabajo de caracterización del

compuesto HDPE y cisco de café. Sin embargo se puede observar una superioridad del

compuesto realizado en este proyecto en la resistencia a la tensión, al modulo de elasticidad

y la resistencia al impacto al creado por el ingeniero García, con las mismas características

de conformado del compuesto.

Concluyendo sobre las pruebas realizadas a la lamina termoformada se puede observar una

correlación de la temperatura de formado en las propiedades de la lamina. Se pudo observar

que entre mejor definida esta la pieza esta resiste mas carga, siendo la degradación del

refuerzo un factor negativo en la resistencia de la pieza.

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67

BIBLIOGRAFÍA

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69

ANEXOS

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A. RESULTADOS PRUEBAS DE CARACTERIZACIÓN

Las siguientes tablas presentan los resultados obtenidos de las pruebas mecánicas.

A.1 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE TENSIÓN

Acondicionamiento de la prueba Material Compuesto HDPE-Cisco de café (50%-50%)Velocidad de carga aplicada 50mm/min Método de generación de probetas Compresión Humedad relativa 56% Temperatura 23°C

Probeta Res. Tensión (MPa) Modulo de elasticidad (MPa)

1 16,95285077 1964,5862162 17,72291383 1933,1172463 19,85488372 2015,6117744 13,86206751 1680,7192295 14,31230743 1934,1327576 18,37015873 2104,624011

Promedio 16,84586366 1938,798539Media muestral 16,70639061 1934,262256Máximo muestral 19,85488372 2104,624011Mínimo muestral 13,86206751 1680,719229Desviación std. 2,344367167 141,9312096Varianza 5,496057413 20144,46826

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71

A.2 RESULTADOS DE LA PRUEBA DE IMPACTO

Acondicionamiento de la prueba Material Compuesto HDPE-Cisco de café (50%-50%) Método de generación de probetas Compresión Humedad relativa 56% Temperatura 23°C Factor de corrección 0,01lb*ft

Probeta Espesor (in) Espesor (m)

Lectura (lb*ft)

Lectura corregida

(lb*ft) Lectura (J)

Energía absorbida

(J/m) 1 0,142 0,0036068 0,26 0,25 0,3389545 93,9765132 0,137 0,0034798 0,21 0,2 0,2711636 77,92505023 0,143 0,0036322 0,2 0,19 0,2576054 70,92269434 0,148 0,0037592 0,2 0,19 0,2576054 68,52665735 0,137 0,0034798 0,24 0,23 0,3118381 89,61380776 0,146 0,0037084 0,22 0,21 0,2847218 76,77752387 0,148 0,0037592 0,25 0,24 0,3253963 86,5599882

Promedio 0,23 0,22 0,29 80,61 Media muestral 0,22 0,21 0,29 80,12 Máximo muestral 0,26 0,25 0,34 93,98 Mínimo muestral 0,20 0,19 0,26 68,53 Varianza muestral 0,0005952 0,0005952 0,0010942 92,8137210 Desviación std 0,0244 0,0244 0,0331 9,6340

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72

B. PLANOS DEL MOLDE PARA TERMOFORMADO

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73

30.0

490.

0

240.

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74

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2

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75

C. VENTANA DE OPERACIÓN DE TERMOFORMADO

Material HDPE - Cisco de café (50%-50%) Calibre de lamina 1,26Mm 0,0494755in Presión de vacío 0,35 bar

Temp. de lamina (°C)

Temp. De calentadores

(°C)

Tiempo calentamiento

(s)

Tiempo vacío (s)

Tiempo enfriamiento

(s)

Temp. Desmolde

(°C)

Muestra No.

140 500 175 20 72 100 39,24 150 500 198 20 82 100 38,23,3 160 500 234 20 95 100 37,22,4,20170 500 301 20 107 100 36,21,6 180 500 319 20 112 100 35,19,7 140 550 135 20 81 100 34,18 150 550 155 20 90 100 32,17 160 550 171 20 103 100 31,16 170 550 195 20 105 100 33,15 180 550 183 20 102 100 14,8 140 590 123 20 94 100 30,13 150 590 140 20 98 100 29,11 160 590 163 20 77 100 28,12 170 590 153 20 75 100 27,10,1 180 590 166 20 98 100 26,9,2

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76

D. DATOS PRUEBA DE COMPRESIÓN

Acondicionamiento de la prueba Material Compuesto HDPE-Cisco de café (50%-50%)Espesor 1,26 mm Velocidad de carga aplicada 1,3 mm/min Temperatura de termoformado 140 °C Humedad relativa 56% Temperatura 23°C

Probeta Carga máxima (KN) 30 - 1 0,29894 30 - 2 0,28958 30 - 3 0,27235 18 - 4 0,26790 18 - 5 0,27281 18 - 6 0,24449 39 - 7 0,34450 39 - 8 0,30598 39 - 9 0,31108

Promedio 0,28974Media muestral 0,28843Máximo muestral 0,34450Mínimo muestral 0,24449Desviación std 0,02940Varianza 0,00086

Acondicionamiento de la prueba Material Compuesto HDPE-Cisco de café (50%-50%)Espesor 1,26 mm Velocidad de carga aplicada 1,3 mm/min Temperatura de termoformado 150 °C Humedad relativa 56% Temperatura 23°C

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77

Probeta Carga máxima (KN) 11 - 1 0,26425 11 - 2 0,19451 11 - 3 0,27540 17 - 4 0,21997 17 - 5 0,22280 17 - 6 0,21789 3 - 7 0,24047 3 - 8 0,29495 3 - 9 0,25679

Promedio 0,24300 Media muestral 0,24110 Máximo muestral 0,29495 Mínimo muestral 0,19451 Desviación std 0,03224 Varianza 0,00104

Acondicionamiento de la prueba Material Compuesto HDPE-Cisco de café (50%-50%)Espesor 1,26 mm Velocidad de carga aplicada 1,3 mm/min Temperatura de termoformado 160 °C Humedad relativa 56% Temperatura 23°C

Probeta Carga máxima (KN) 12 - 1 0,26389 12 - 2 0,26506 12 - 3 0,29915 16 - 4 0,25248 16 - 5 0,26257 16 - 6 0,25602 4 - 7 0,27052 4 - 8 0,23276 4 - 9 0,26331

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Promedio 0,26286 Media muestral 0,262353193 Máximo muestral 0,29915 Mínimo muestral 0,23276 Desviación std 0,017472719 Varianza 0,000305296

Acondicionamiento de la prueba Material Compuesto HDPE-Cisco de café (50%-50%)Espesor 1,26 mm Velocidad de carga aplicada 1,3 mm/min Temperatura de termoformado 170 °C Humedad relativa 56% Temperatura 23°C

Probeta Carga máxima (KN) 10 - 1 0,29212 10 - 2 0,27498 10 - 3 0,29800 15 - 4 0,24977 15 - 5 0,31062 15 - 6 0,30803 21 - 7 0,28328 21 - 8 0,34706 21 - 9 0,27562

Promedio 0,29328 Media muestral 0,29214 Máximo muestral 0,34706 Mínimo muestral 0,24977 Desviación std 0,02755 Varianza 0,00076

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Acondicionamiento de la prueba Material Compuesto HDPE-Cisco de café (50%-50%)Espesor 1,26 mm Velocidad de carga aplicada 1,3 mm/min Temperatura de termoformado 180 °C Humedad relativa 56% Temperatura 23°C

Probeta Carga máxima (KN) 26 - 1 0,26831 26 - 2 0,26776 26 - 3 0,27582 8 - 4 0,18954 8 - 5 0,27756 8 - 6 0,27680

19 - 7 0,25037 19 - 8 0,26816 19 - 9 0,23809

Promedio 0,25693 Media muestral 0,25533 Máximo muestral 0,27756 Mínimo muestral 0,18954 Desviación std 0,02848 Varianza 0,00081