Proceso de moldeo por inyección de botellas de plástico

Proceso de moldeo por inyección: la tecnología central del moldeo de termoplásticos

El proceso de moldeo por inyección es una tecnología de moldeo eficiente que transforma materiales termoplásticos en diversos productos mediante moldes. Gracias a sus ventajas de alta automatización, rápida eficiencia de producción y alta precisión del producto, se ha convertido en uno de los procesos más utilizados en el procesamiento moderno de plásticos. Desde vajillas y fundas de teléfonos de plástico de uso diario hasta piezas de precisión para automóviles y dispositivos médicos, la tecnología de moldeo por inyección, con su gran adaptabilidad y flexibilidad, facilita la fabricación de productos en numerosas industrias y ocupa un lugar insustituible en la ciencia de los materiales y la producción industrial.

1、 Principios del proceso y elementos centrales

El principio fundamental del proceso de moldeo por inyección es el proceso cíclico de fusión, conformación por flujo y solidificación: las partículas sólidas de plástico se calientan y funden hasta formar una masa fundida dinámica y fluida, que se inyecta en una cavidad de molde cerrada bajo presión. Tras enfriarse y solidificarse en la cavidad, la masa fundida forma un producto que se ajusta a la forma de la cavidad del molde. Este proceso se logra mediante la sinergia de los tres elementos principales: materias primas, equipos de moldeo por inyección y moldes.

Requisitos para las características de la materia prima

El proceso de moldeo por inyección presenta requisitos específicos para el rendimiento de las materias primas (termoplásticos), lo cual afecta directamente la calidad y la eficiencia del moldeo. El índice de fluidez (MFR) es un indicador clave que refleja la fluidez del plástico fundido. Un MFR excesivo puede provocar una contracción importante y un tamaño inestable del producto; si es demasiado bajo, la fluidez será deficiente y pueden surgir problemas como escasez de material y llenado insuficiente. Es necesario elegir el plástico con MFR adecuado según la complejidad del producto, por ejemplo, seleccionando PP y ABS de alta fluidez para piezas de precisión y PC y PA de alta resistencia para piezas estructurales.

La estabilidad térmica de los plásticos es igualmente importante. Deben ser capaces de soportar la temperatura de calentamiento del barril del material (normalmente 150-350 ℃) sin degradarse, de lo contrario causará decoloración y disminución de las propiedades mecánicas del producto. Por lo tanto, antes del procesamiento, es necesario confirmar la temperatura de descomposición térmica del plástico. Por ejemplo, al PVC se le debe añadir un estabilizador térmico para evitar la descomposición. Además, la tasa de contracción del plástico (la proporción de contracción por enfriamiento después del moldeo) debe coincidir con el diseño del molde. Diferentes plásticos tienen diferencias significativas en las tasas de contracción (como la tasa de contracción del PE del 1,5% -3%, la tasa de contracción del PC del 0,5% -0,7%), y el molde necesita reservar un margen de contracción para garantizar la precisión dimensional del producto.

Los plásticos moldeados por inyección comunes incluyen plásticos generales (PP, PE, ABS, PS), plásticos de ingeniería (PC, PA, POM, PBT) y plásticos especiales (PEEK, PI), que son adecuados para escenarios con diferentes requisitos de resistencia, resistencia a la temperatura y resistencia química.

Composición del equipo de moldeo por inyección

La máquina de moldeo por inyección es el equipo principal del proceso de moldeo por inyección y consta de cuatro partes: sistema de inyección, sistema de sujeción del molde, sistema de transmisión hidráulica y sistema de control eléctrico. El sistema de inyección, que incluye la tolva, el cilindro, el tornillo y la boquilla, se encarga de la fusión e inyección del plástico. La tolva almacena las partículas de plástico, que caen al cilindro por gravedad; un anillo calefactor envuelve el exterior del cilindro de material para calentar el plástico hasta su estado fundido; el tornillo completa el transporte, la compactación y la plastificación (mezcla de material fundido) del plástico mediante rotación y movimiento axial, y la masa fundida plastificada se inyecta en el molde a través de una boquilla.

El sistema de sujeción del molde, compuesto por una plantilla fija, una plantilla móvil, una varilla de tracción y un cilindro de sujeción, realiza la apertura, el cierre y el bloqueo del molde. La fuerza de sujeción debe coincidir con la presión de inyección y el área proyectada del producto para evitar que el molde se abra por tracción y provoque rebabas durante la inyección. La fórmula para calcular la fuerza de sujeción es: fuerza de sujeción (kN) = área proyectada del producto (cm²) x presión de inyección (MPa) x factor de seguridad (1,2-1,5).

El sistema de transmisión hidráulica proporciona potencia para la inyección y el cierre del molde, controlando la velocidad y la presión de movimiento de cada componente. El sistema de control eléctrico (PLC + pantalla táctil) controla con precisión los parámetros del proceso (temperatura, presión y tiempo) para lograr una producción automatizada. Las máquinas de moldeo por inyección de alta gama también están equipadas con servomotores, con un ahorro de energía superior al 30 %.

Puntos clave del diseño de moldes

El molde es clave para determinar la forma y la calidad del producto, y está compuesto por una cavidad, un núcleo, un sistema de vertido, un sistema de refrigeración y un sistema de expulsión. Las superficies exterior e interior del producto, formadas por la cavidad y el núcleo, están hechas principalmente de acero para moldes (como P20, 718H), que debe templarse y pulirse para garantizar la suavidad de la superficie y la resistencia al desgaste.

El sistema de vertido introduce el material fundido desde la boquilla a la cavidad del molde, incluyendo el canal principal, el canal de desviación y el bebedero. El canal principal conecta la boquilla y el canal de desviación, y debe diseñarse una conicidad (2°-5°) para facilitar el desmoldeo. El canal de desviación distribuye la masa fundida a múltiples cavidades. El bebedero es el último canal por donde la masa fundida entra en la cavidad del molde. Su tamaño pequeño (generalmente de 0,5 a 2 mm) facilita el corte de la masa fundida y la separación del producto. Los tipos comunes de bebederos incluyen bebederos laterales, bebederos de punta y bebederos ocultos, que deben seleccionarse según la forma del producto.

El sistema de refrigeración absorbe el calor de la masa fundida mediante agua circulante, lo que acelera la solidificación del producto. El canal de agua de refrigeración debe estar cerca de la superficie de la cavidad del molde (a una distancia de 15-25 mm) para garantizar un enfriamiento uniforme. El tiempo de enfriamiento representa entre el 50 % y el 70 % del ciclo de moldeo, lo que afecta directamente la eficiencia de la producción. El sistema de expulsión (pasador, placa superior y tubo) expulsa el producto del molde tras el enfriamiento para evitar deformaciones o rayones.

2、 Flujo del proceso y parámetros clave

El proceso de moldeo por inyección es un ciclo continuo, y el control de parámetros en cada etapa afecta directamente la calidad del producto. El proceso completo consta de tres etapas: preparación de la materia prima, moldeo por inyección y posprocesamiento.

Etapa de preparación de la materia prima

Las materias primas necesitan someterse a un pretratamiento y secado: el pretratamiento incluye el cribado (eliminación de impurezas) y la mezcla (adición de masterbatch de color y aditivos en proporción) para asegurar la uniformidad de las materias primas; el secado está dirigido a plásticos higroscópicos (como PA, PC, PBT), que son propensos a absorber la humedad del aire y pueden producir defectos como burbujas y alambres de plata cuando se funden. Es necesario utilizar una máquina de secado (secado por aire caliente o secado por deshumidificación) para reducir el contenido de humedad por debajo del 0,02% -0,05%. Los parámetros de secado varían dependiendo del plástico (como la temperatura de secado de PC de 120 ℃ durante 4-6 horas; la temperatura de secado de PA6 es de 80-90 ℃ durante 4 horas.

Etapa de moldeo por inyección

Este es el núcleo del proceso, que consta de cinco pasos: plastificación, inyección, mantenimiento de la presión, enfriamiento y apertura y expulsión del molde. Plastificación: La rotación del tornillo transporta las partículas de plástico hacia adelante y las funde bajo el calentamiento del cilindro y el cizallamiento del tornillo, formando una masa fundida uniforme. La calidad de la plastificación depende de la temperatura del cilindro, la velocidad del tornillo y la contrapresión (contrapresión durante la rotación del tornillo). Si la contrapresión es demasiado alta, prolongará el tiempo de plastificación; si es demasiado baja, provocará una plastificación desigual.

Inyección: El tornillo avanza rápidamente para inyectar la masa fundida en la cavidad del molde a alta presión y velocidad. La presión de inyección suele ser de 50 a 150 MPa y la velocidad de 30 a 150 mm/s. Debe ajustarse según el espesor y la complejidad del producto: los productos de paredes delgadas requieren alta presión y alta velocidad (para reducir el enfriamiento de la masa fundida), mientras que los productos de paredes gruesas requieren baja presión y baja velocidad (para evitar el desbordamiento).

Mantenimiento de la presión: Una vez que la masa fundida llena la cavidad del molde, el tornillo mantiene cierta presión para reponer el material en la cavidad, compensando así la contracción por enfriamiento de la masa fundida. La presión de mantenimiento suele ser del 60 % al 80 % de la presión de inyección, y el tiempo de mantenimiento se determina según el espesor del producto (los productos de paredes gruesas requieren un mayor tiempo de mantenimiento). Un mantenimiento insuficiente puede provocar hendiduras en el producto y un tamaño menor.

Enfriamiento: Una vez finalizado el mantenimiento de la presión, el sistema de enfriamiento del molde reduce la temperatura del producto por debajo de la temperatura de deformación térmica, lo que permite su solidificación y conformación. La fórmula para calcular el tiempo de enfriamiento es la siguiente: tiempo de enfriamiento (s) = (espesor máximo de pared del producto (mm)) ² × coeficiente del material. Los coeficientes del plástico varían (por ejemplo, coeficiente de PE 0,8, coeficiente de PC 1,2).

Apertura y expulsión del molde: Tras el enfriamiento, el sistema de cierre del molde impulsa la plantilla móvil hacia atrás y abre el molde. El sistema de expulsión expulsa el producto del molde a una velocidad lenta y uniforme para evitar su deformación o blanqueamiento.

Etapa de posprocesamiento

Algunos productos requieren un posprocesamiento para mejorar el rendimiento: eliminar el exceso de material de la mazarota y la superficie de separación eliminando las rebabas; el tratamiento de recocido (como mantener los productos de PC en un horno a 120 ℃ durante 2 horas) elimina la tensión interna y evita el agrietamiento del producto; el tratamiento de la superficie (pintura en aerosol, galvanoplastia, serigrafía) mejora la apariencia y la funcionalidad; Para los productos de calidad alimentaria, se requiere limpieza y desinfección para eliminar las manchas de aceite y las impurezas.

3、 Control de calidad y problemas comunes

La calidad de los productos moldeados por inyección debe controlarse desde tres puntos de vista: apariencia, tamaño y propiedades mecánicas. Los defectos comunes deben solucionarse mediante la optimización de parámetros durante la producción.

Indicadores de inspección de calidad

Los requisitos de calidad de apariencia incluyen la ausencia de defectos como rebabas, materiales faltantes, burbujas, alambres de plata, marcas de contracción, rayones, etc., lo cual se puede lograr mediante inspección visual o visual automatizada (con una precisión de 0,01 mm); La precisión dimensional debe cumplir con la tolerancia del dibujo (como ± 0,1 mm), y las dimensiones clave deben medirse utilizando un instrumento de medición de coordenadas o un calibrador; Las propiedades mecánicas (resistencia a la tracción, resistencia al impacto) deben cumplir con los requisitos de uso, y los estándares de rendimiento se garantizan mediante muestreo y prueba de materias primas y productos terminados.

Defectos comunes y soluciones

Los defectos en la producción a menudo son causados por parámetros o problemas del molde, y se pueden ajustar en consecuencia: las rebabas (exceso de material en el borde del producto) deben aumentarse o disminuirse debido a una fuerza de sujeción del molde insuficiente o una presión de inyección alta; Material insuficiente (cavidad no llena) debido a una mala fluidez de la masa fundida o un volumen de inyección insuficiente, es necesario aumentar la temperatura del cilindro de material, aumentar la presión de inyección o aumentar el tiempo de retención; Las burbujas deben secarse más o la velocidad del tornillo debe reducirse (para reducir el atrapamiento de aire) debido a un secado insuficiente de las materias primas o la inclusión de aire en la masa fundida; Las marcas de contracción (depresiones superficiales) requieren aumentar la presión de retención u optimizar el canal de agua de enfriamiento debido a una presión insuficiente o un enfriamiento desigual; La deformación por deformación es causada por una tensión interna excesiva y es necesario reducir el gradiente de temperatura del molde o ajustar la posición de la compuerta para garantizar un flujo uniforme de la masa fundida.

4、 Campos de aplicación y tendencias de desarrollo

El proceso de moldeo por inyección, con sus ventajas de alta eficiencia y precisión, se utiliza ampliamente en diversas industrias y se está actualizando hacia la inteligencia y la ecología con el progreso tecnológico.

Principales áreas de aplicación

La industria del embalaje es el mercado más grande para la tecnología de moldeo por inyección, produciendo tapas de botellas, contenedores, cajas de rotación, etc. Por ejemplo, las tapas de las botellas de agua mineral utilizan el moldeo por inyección de PP para asegurar el sellado mediante la formación de roscas; La industria automotriz utiliza el moldeo por inyección para producir piezas interiores (tablero, paneles de puerta), piezas exteriores (parachoques) y piezas funcionales (conectores), y plásticos de ingeniería (aleación de PC/ABS) para reemplazar metales para aligerar el peso; La industria de los electrodomésticos produce carcasas (cajones de refrigerador, cámaras de aire de lavadoras) y componentes estructurales (engranajes, soportes), siendo el ABS el material principal debido a su fácil coloración y resistencia moderada; La industria médica utiliza el moldeo por inyección de plásticos de grado médico (PC, PP) para producir jeringas, carcasas de equipos de infusión y componentes de dispositivos médicos, lo que requiere moldes limpios y materias primas no tóxicas; La industria 3C produce piezas de precisión como carcasas de teléfonos móviles, teclados, conectores, etc., lo que requiere una tolerancia dimensional de ± 0,02 mm y máquinas y moldes de moldeo por inyección de alta precisión.

Tendencias del desarrollo tecnológico

La inteligencia es la clave, y las máquinas de moldeo por inyección están equipadas con sensores (de presión, temperatura y desplazamiento) y algoritmos de IA para monitorizar el estado de fusión y la calidad del producto en tiempo real. Mediante el control adaptativo, los parámetros se ajustan automáticamente para reducir la intervención manual y la tasa de desperdicios se reduce por debajo del 0,5 %. El Internet Industrial permite la interconexión de equipos, la monitorización remota de los datos de producción y el consumo energético, y mejora la eficiencia de la gestión.

La ecologización se centra en la conservación de energía, la reducción del consumo y la utilización circular, con una tasa de penetración de la máquina de moldeo por inyección de servomotor de más del 80% y una reducción del 30% en el consumo de energía; La tecnología de moldeo por inyección para plásticos reciclados es madura y, a través de la limpieza y la modificación, el PP y el ABS reciclados se pueden utilizar para productos que no entran en contacto con alimentos; La aplicación del moldeo por inyección de plásticos de base biológica (PLA, PBAT) se está expandiendo, lo que reduce la dependencia de los recursos fósiles.

Un avance en la tecnología de moldeo de precisión y especial, el moldeo por microinyección puede producir microproductos que pesan menos de 0,1 g (como micropartes médicas) con una precisión de ± 0,001 mm; el moldeo por inyección asistido por gas utiliza inyección de nitrógeno para hacer que los productos de paredes gruesas sean huecos, lo que reduce las marcas de contracción y el peso; Moldeo por inyección de doble color / multicolor para el moldeo de una sola vez de productos de múltiples materiales o multicolores, mejorando la integración de la apariencia y la funcionalidad.

Como tecnología clave en el procesamiento de plásticos, el proceso de moldeo por inyección refleja la innovación colaborativa de materiales, equipos y moldes en su desarrollo. Desde productos de primera necesidad hasta piezas industriales de alta gama, la tecnología de moldeo por inyección impulsa el desarrollo de la industria manufacturera moderna gracias a su eficiencia y flexibilidad. Con el auge de las tecnologías inteligentes y ecológicas, el proceso de moldeo por inyección desempeñará un papel más importante en la producción de precisión y la conservación de recursos, impulsando a la industria manufacturera hacia la alta calidad.