termoformado n

Prof. Jeanette Gonzlez

Noviembre 2011

El termoformado es el proceso mediante el cual una lmina o

pelcula de material termoplstico es sometida a

calentamiento hasta lograr su reblandecimiento y luego es forzada a tomar una forma determinada dentro de un molde para su posterior

enfriamiento. En este proceso de transformacin nicamente se modifican las propiedades

fsicas del material.

1. Se parte de un material laminado previamente por extrusin o calandrado.

2. Se calienta la lmina hasta que sea fcilmente deformable. 3. Se traslada la lmina precalentada a la seccin de moldeo (si

el proceso es discontinuo). 4. Ciclo de moldeo: 5. Deformacin de la lmina hasta alcanzar las dimensiones del

molde. Esto se puede hacer por varios mtodos: presin de aire, vaco, pistn o combinaciones de stos.

6. Enfriamiento de la pieza (s) en el molde. 7. Extraccin de la pieza(s). 8. Eliminacin de rebabas y separacin de la pieza(s).

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c1/Thermoforming_animation.gif/799px-Thermoforming_animation.gif

Ventajas Desventajas

Se necesitan relativamente bajas presiones de moldeo Altas prdidas de material (desperdicios)

Se pueden fabricar piezas de gran tamao a bajo costo

Irregularidades en los espesores. En artculos impresos, esto afecta de manera muy importante la calidad de la impresin.

Pueden fabricarse piezas con relacin espesor/rea muy pequeas

Costo de almacenamiento de lminas es mayor que el de material en forma de grnulos

Para productos de paredes delgadas el tiempo de fabricacin es extremadamente corto, haciendo que el proceso sea muy econmico para la fabricacin de muchas piezas.

No se pueden obtener directamente piezas con orificios u otras aperturas, para ello se requieren otras operaciones como taladrado

Los moldes son relativamente econmicos. Se requiere el control de dos (2) procesos: Extrusin y termoformado. Corte requerido para separar las piezas no garantiza dimensiones de la boca del envase. La elongacin de la lmina puede ocasionar opacidad en el producto formado

Caracterstica Termoformado Inyeccin Soplado

Forma del material Lminas Grnulos o polvo Grnulos

Variedad de materiales Buena Excelente Muy buena

Costo del molde Muy bajo Muy alto Alto

Presin de operacin (atm.) 1-5 100-1000 5-50

Uniformidad de espesor Regular a buena Excelente Buena a muy buena

Acabado Muy bueno Excelente Muy bueno

El proceso de formado se puede llevar a cabo por diversos mtodos: Formado por vaco Formado por presin Formado soplado libre Formado asistido:

Formado con molde macho y hembra Formado con doble lmina Formado con diafragma

Calentamiento no uniforme Formado neumtico Formado con pistn

Es la tcnica ms simple. La relacin espesor-menor dimensin de la pieza es 1:1. Proporciona una distribucin desigual de espesores. Se recomienda para diseos de poca profundidad y amplios radios de curvatura en las esquinas.

Se obtiene una distribucin alternante de espesores.

a)Formado en molde hembra por vaco, b) Formado por recubrimiento o por vaco con molde macho

(a) (b)

Evita el contacto prematuro de la lmina y el molde estiramiento ptimo antes de aplicar vaco.

Se produce un pre-estiramiento de la lmina antes de hacer contacto con el molde.

Combinacin formado positivo y negativo con amortiguador de aire.

Los ciclos de produccin son ms rpidos. Se obtiene un ptimo control dimensional.

Se aplican presiones de aire > 500 psi. Para obtener buena calidad superficial y copia fiel de los detalles

en el exterior e interior de la pieza. La tolerancia entre los moldes determina el espesor.

Molde macho

Molde hembra

Lmina de termoplstico caliente

Salida de aire

Se utiliza para artculos profundos que requieren molde hembra.

Ojo fotoelctrico Lmpara

Aire de soplado

Lmina

Cierre

Burbuja

Molde

Diafragma Deformado

Presin Aplicada

Molde Hembra Lmina

Sujecin Diafragma

Caja de Presin Aire o Fluido Hidrulico

Inventario

Formado individual

Formado individual

Unin trmica o con adhesivos

Es el rango de temperatura sobre el cual el polmero es lo suficientemente deformable para el estiramiento y moldeo en la forma deseada. En general los polmeros amorfos poseen una ventana de termoformado mucho ms ancha que la de los polmeros semicristalinos. El PS, por ejemplo, puede ser conformado alrededor de los 260 oF (127 oC), o sobre 50 oF (30 oC) sobre su Tg, hasta los 360 oF (127 oC). El PP, por el contrario, es tan fluido cuando est por encima de su temperatura de fundido de 330 oF (165oC) que su ventana de termoformado no puede ser mayor que un grado, como resultado de esto, el PP es frecuentemente conformado slo por debajo de su Tm, y hasta en estos casos su ventana de termoformado no excede los 2 o 3 grados.

Las caractersticas ms importantes que deben tener los materiales para poder ser termoformados son las siguientes: Memoria Plstica: El material debe tener la habilidad para regresar a su forma original cuando se calienta. Esto permite corregir defectos o fallas. Ejemplo: acrlicos. Resistencia y elongacin en caliente: Esto se refiere a la caracterstica del material de mantenerse fuerte al ser calentado. Algunos materiales elongan en caliente hasta 500-600% mientras que otros slo alcanzan un 15-20%. Rango de temperatura de formado: El reblandecimiento debe ser gradual al incrementar la temperatura. No se recomiendan materiales con un punto de fusin agudo.

Contorno de recipientes de PP producidos por termoformado: Lado izquierdo: Temperatura de formado = 155C Lado derecho Temperatura de formado = 163C a) Despus del formado (Diagrama esquemtico b) Despus de esterilizacin a 121C por 1 hora (diagrama esquemtico) c) C) Fotografas despus de la esterilizacin (la temperatura de formado aumenta de izquierda a

derecha

Entalpa o Capacidad Calrica: Es una medida de la capacidad del polmero para elevar su temperatura y por lo tanto est relacionada con su entalpa, la cual incrementa al incrementar la temperatura. Cuando un material atraviesa un cambio caracterstico tal como la fusin o la transicin vtrea, la curva de la entalpa cambia drsticamente. Se necesitan mayores valores de energa para calentar un polmero semicristalino desde la temperatura ambiente a una temperatura por encima de su temperatura de fundido que para calentar un polmero amorfo desde la temperatura ambiente hasta la misma temperatura. Por ejemplo, se necesita ms del doble de energa para llevar al polietileno a 180 oC que lo que se necesita para llevar al poliestireno a la misma temperatura.

Adems, como se necesita enfriar la pieza formada, se necesita retirar el doble de energa para enfriar al polietileno a una temperatura dada, que lo que se necesita para llevar al poliestireno a la misma temperatura. Para cada polmero, se reporta un valor simple de la capacidad calrica, sin embargo, si bien estos valores son aceptables para polmero amorfos, en el caso de polmeros semicristalinos se debe trabajar con cuidado, debido a que la pendiente de la entalpa en funcin de la temperatura cambia drsticamente cuando la temperatura se aproxima a la temperatura de fundido.

Conductividad Trmica: Es la medida de la transmisin de energa a travs del material. Estos valores para todos los qumicos orgnicos, entre los cuales estn los polmeros, son sumamente bajos ya que stos son aislantes trmicos. Esta propiedad, junto con la difusividad trmica, son muy importantes al termoformar lminas muy delgadas, debido a que la velocidad de transferencia de energa hacia la lmina gobierna la formabilidad de la misma. La conductividad trmica del PEAD es casi 4 veces ms alta que la del PS o del ABS. Densidad y su dependencia con la temperatura: La densidad de los polmeros disminuye con el aumento de la temperatura, mientras que su recproco, es decir, el volumen libre, disminuye. La densidad de los polmeros amorfos a la temperatura de termoformado es del 10 al 15% menor que su densidad a temperatura ambiente, mientras que para polmeros semicristalinos llega a ser un 25% menor.

Perfil de temperatura de la lmina dentro del horno

Efecto de un modificador de impacto en el pandeo

Relacin entre la viscosidad elongacional y la velocidad de pandeo

Tiempo

Velo

cida

d de

pan

deo

Tiempo

Visc

osid

ad e

long

acio

nal

De la lmina: Espesor: las variaciones no deben ser superiores a 4-8%. Viscosidad o MFI: variaciones entre lminas o lotes genera problemas de uniformidad en el proceso, principalmente con poliolefinas. Orientacin: para obtener la mxima uniformidad, la lmina no debera estar o ser orientada. Densidad: Variaciones en este parmetro dan origen a diferencias en contraccin, propiedades mecnicas y temperatura de reblandecimiento. Temperatura: se debe procesar a la ms baja del rango de termoformado.

Uno de los factores que afecta las propiedades finales de la pieza termoformada es la orientacin de la lmina usada. Cuando el material posee gran orientacin en la direccin de extrusin, se genera como se observa en la siguiente figura, un plegado de las piezas.

Plegado como resultado de la orientacin del material. a) Con herramienta de impresin simple y b) Con herramienta de impresin mltiple.

Al producirse el estiramiento de la lmina durante el termoformado, se aumenta la orientacin de las cadenas polimricas en la pieza final. Como se observa en la siguiente figura, un recipiente de PSAI es fcilmente desgarrado de manera longitudinal. Estas tiras de material desgarrado, a su vez son sumamente resistentes longitudinalmente, ya que su orientacin es mayoritariamente en esa direccin.

Desgarre de piezas termoformadas producto de la orientacin de las mismas.

Del proceso: Temperatura de calentamiento: El calentamiento debe ser uniforme. Pre-estirado (si lo hay): debe ser uniforme. Temperatura del aire o del pistn (en los casos que aplica): la temperatura debe ser controlada a aproximadamente un 10% ms baja que la temperatura de la lmina. Otras que dependen de la tcnica de formado: presin de aire o de vaco, tiempo de aplicacin de la presin o del vaco.

CALENTAMIENTO Existen tres mtodos para realizar el calentamiento de la lmina: Conduccin: es el ms eficiente pero posee el inconveniente de la posible adherencia lmina-calentador. Tambin pueden producirse marcas en la lmina o sta puede romperse. Bsicamente se utiliza en el termoformado de lminas gruesas. Conveccin: es el menos eficiente ya que no produce un calentamiento homogneo. La conveccin con vapor se emplea para PS espumado (por su alta permeabilidad al vapor de agua). Radiacin: es el ms usado. Se emplea radiacin infrarroja. Es el ms rpido y produce un calentamiento homogneo.

El tiempo de calentamiento representa aproximadamente un

50-80% del tiempo de moldeo. Los tiempos de calentamiento y

enfriamiento son proporcionales al calor especfico del material

y al espesor de la lmina, e inversamente proporcionales a la

conductividad trmica, el coeficiente de transferencia de calor

superficial.

Espesor de la pared de la pieza Conociendo el espesor de la lmina a termoformar es posible realizar una estimacin del espesor de la pared de la pieza. Sin embargo, por el diseo del molde y las condiciones del proceso, debe considerarse un 30% de variacin en los resultados finales. Para realizar este clculo debe considerarse que el volumen del material se mantiene constante durante el proceso. 21 VV = 2211 sFsF =

12

12 sF

Fs =V1: Volumen del material antes del termoformado V2: Volumen de la pieza termoformada F1: rea del material antes del formado F2: Superficie del artculo S1: Espesor del material S2: Espesor de pared de la pieza final.

Donde:

12

FFRe =

Relacin de estiramiento: Es la relacin entre la superficie del molde antes de moldear y despus de moldear.

Donde F1 es el rea original del material y F2 es el rea del artculo moldeado.

Relacin de estiramiento en la seccin transversal de rea B.

Un tip para aplicaciones prcticas: para geometra mas difciles, la relacin de estiramiento puede ser calculada simplemente con una cinta mtrica flexible colocada desde el punto inicial hasta el punto de estiramiento mximo.

OriginalAnchoacladesDimensione

eRint

=

Para calcular la orientacin en un recipiente, como se muestra en la figura, se realizan los siguientes pasos:

a.Demarcar un crculo de material. b.Medir el crculo antes de la contraccin. c.Medir el crculo luego de la contraccin.

Espesor de la pieza: El espesor de la pieza es determinado por la herramienta y/o la tcnica de formado, al igual que la definicin del detalle de la pieza.

Radio R (Termoformable) para artculos estndar. Donde s es el espesor de la pieza

Estiramiento en funcin del rea.(1)

Bajo ( 2:1) Medio (de 3) Alto ( 3:1)

Radio Recomendado

(mm)

0,5 s (0,5 - 1 s) 1,5 s

Radios recomendados para polmeros fcilmente moldeables, como el PSAI, PP, PE, ABS y PPE.

Variacin del espesor en las diferentes zonas de la pieza luego del proceso de termoformado

Distribucin de Espesores

Dependencia del radio de las esquinas con la temperatura

Rad

io d

e la

esq

uina

, cm

Temperatura de la lmina, C

Relaciones de estiramiento para molde cilndrico hembra

Dimensin lateral/dimensin del disco

Rel

aci

n de

est

iram

ient

o

Mximas relaciones de estiramiento en rea para polmeros termoformables

PROBLEMAS CAUSA PROBABLE SOLUCIONES RECOMENDADAS

Burbujas o ampollas

Calentamiento muy rpido Aumenta r la d i s tanc ia en t re los calentadores y la lmina.

Calentamiento no uniforme Distribuir calor utilizando mallas metlicas. Chequear funcionamiento de resistencias.

Humedad excesiva Precalentar o secar por ambas caras. Producto inadecuado. Utilizar otra resina.

Pieza con forma incompleta o sin detalles

Lmina muy fra. Calentar por ms tiempo/usar ms resistencias/chequear por falta de uniformidad en calentamiento.

Vaco insuficiente. Orificios de vaco obstruidos. Aumentar nmero o tamao de los orificios. Usar ranuras en vez de orificios de vaco

La aplicacin de vaco no fue lo suficientemente rpida. Aumentar lnea de vaco, evitando curvas pronunciadas en las conexiones, tipo codo

y T.

Cambio en la intensidad del color

Calentamiento excesivo. Reduc i r l a tempera tu ra de los calentadores. Recortar el ciclo de calentamiento. Si se localiza en un solo lugar, chequear calentadores o resistencias

Pobre diseo del molde Disminuir la profundidad del estirado, agrandar los radios.


Pandeo vara de una lmina a otra Variacin en la temperatura

Chequear que no haya corrientes de aire circulando a travs de los calentadores. En caso de haberlas, proteja con mallas para eliminarlas. Controle la calidad y el porcentaje de remolido utilizado

Lmina fabricada con resinas diferentes. Evite mezclas de resinas.


Cambio en la intensidad del color

Uso descontrolado de material remolido. Controlar la cantidad y calidad del remolido utilizado

Enfriamiento de la lmina antes de estar bien moldeada.

Mover el molde hacia la lmina con mayor rapidez. Asegurarse de que los pistones y molde estn calientes

Lmina estirada ms all de su lmite. Utilizar mayores espesores o grado ms elstico para termoformado ms profundo

Molde demasiado fro. Calentar.

Arrugas y asperezas

Lmina muy caliente causa acumulacin de material en el rea de formado.

Recortar ciclo de calentamiento. Reduc i r l a tempera tu ra de los calentadores o aumentar distancia entre ellos.

Baja resistencia en fundido de la resina Trabajar con lminas mas orientadas. Cambiar a una resina con menor MFI.

Vaco insuficiente. Chequear sistema, aumentar el nmero de orificios o ranuras.

PROLEMAS CAUSA PROBABLE SOLUCIONES RECOMENDADAS

Marcas de encogimiento principalmente en las esquinas

Vaco inadecuado. Verifique por escapes de vaco o por or i f ic ios obstruidos., aumente la capacidad de la bomba de vaco o el nmero de orificios

Encogimiento de la pieza Imposible de eliminar en lminas gruesas utilizando solo vaco, use una presin de aire de 20 30 psi en la parte opuesta a la superficie del molde, solo si ste puede soportarla.

Superficie del molde demasiado lisa. Modifique la superficie con tratamiento.

PROLEMAS CAUSA PROBABLE SOLUCIONES RECOMENDADAS

Pobre distribucin de espesores en las paredes y adelgazamiento excesivo en

algunas reas

Pandeo incorrecto de la lmina Pruebe otra tcnica de formado.: Monte el molde en el plato superior/utilice la tcnica de pre-estiramiento por soplado de burbuja.

Zonas fras o calientes en la lmina.

Mejore la tcnica de calentamiento para obtener una distribucin uniforme de calor mediante el uso de mallas metlicas. Examine el funcionamiento de los elementos calefactores.

Corrientes de aire alrededor de la mquina. Proteja las reas de calentamiento y formado.

Pandeo excesivo. Ver el punto correspondiente, ya analizado. Variacin de espesores en la lmina. Mejore el control de espesores en la lmina.

Molde muy fro. Caliente el molde hasta obtener la temperatura correcta, examine el sistema de control de temperatura.

Lmina que se desliza del marco de termoformado.

Ajuste el marco de sujecin para obtener una presin uniforme, examine el calibre de la lmina, caliente los marcos de sujecin antes de insertar la lmina.


Pre-estiramiento no uniforme de la burbuja

Espesores desiguales en la lmina. Controle el calibre de la lmina durante la extrusin, caliente la lmina lentamente con poco calor.

Calentamiento desigual de la lmina. Examine por fallas en los calentadores.

Soplado de aire no uniforme. Destape la entrada de aire en la caja de pre-estiramiento.

Esquinas muy delgadas en termoformado profundo

Tcnica de formado. Utilice otras tcnicas, como soplado de burbuja con pistones de ayuda. Lmina muy delgada Aumente el calibre.

Variaciones en la temperatura.

Ajuste el calentamiento de la lmina segn se requiera, coloque mallas en la parte de la lmina que formar las esquinas. C u a d r i c u l e l a lm i n a a n t e s d e termoformar para poder chequear el movimiento del material durante el proceso.

La pieza se adhiere al molde

Temperatura de la pieza muy alta. Aumente el ciclo de enfriamiento, reduzca levemente la temperatura del molde, sin excederse mucho de la recomendada para el tipo de resina

Tolerancia insuficiente para desmoldeo Aumente la conicidad, use molde hembra, remueva la pieza del molde tan pronto como sea posible.

Molde con entalladuras. Utilice marco desmontador, aumente la presin del aire para eyeccin, remueva la pieza tan pronto como sea posible.

Molde de madera. Engrase con vaselina, use tefln en spray.

Superficie de molde spera. Pula las esquinas del molde, use un desmoldeante.



Desgarramiento de la lmina durante el termoformado

Diseo del molde.

Lmina muy caliente Disminuya el tiempo de calentamiento o la t e m p e r a t u r a , e x a m i n e q u e e l calentamiento sea uniforme, pre-caliente la lmina.

Lmina muy fra (generalmente en calibre muy delgado).

Aumente el tiempo de calentamiento o la temperatura. Siga los pasos restantes para el caso anterior.

Ruptura en las esquinas durante servicio Concentracin de esfuerzos

Aumente los nervios o refuerzos. Aumente la temperatura de la lmina. En lminas transparentes, examine con luz polarizada. Asegrese de que la pieza se forme completamente, antes de que algunas secciones estn muy fras, lo cual origina concentracin de esfuerzos en esas reas.

termoformado n

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