Heat transfer simulation for decision making in plastic injection mold design

Simulación de transferencia de calor para la toma de decisiones en el diseño de moldes de inyección de plástico

La solidificación de un termoplástico durante el proceso de inyección influye directamente en la productividad y calidad del producto final. Este trabajo presenta un estudio del comportamiento de solidificación de piezas producidas mediante un proceso de inyección de termoplásticos, verificando su comportamiento dimensional, visual y productivo en función de la variación de la geometría, la temperatura y el diseño del sistema de refrigeración del molde de inyección. Para realizar las simulaciones se utilizó el software SolidWorks Plastics®. Se realizaron experimentos con un molde de inyección de plástico para confrontar y validar las simulaciones. 

Dada la comparación de diferentes geometrías de refrigeración, las simulaciones permitieron obtener piezas con un tiempo de ciclo de refrigeración del molde más corto. El análisis de rentabilidad tiene como objetivo principal determinar qué sistema de refrigeración es el más viable y tiene el mayor rendimiento del capital invertido. Los resultados demostraron una solución para que ingenieros y diseñadores justifiquen el mantenimiento o las modificaciones de los moldes de inyección existentes mediante simulación numérica.

INTRODUCCIÓN

La industria está buscando cada vez más el uso de polímeros en sus productos, ya que tienen numerosas características que permiten versatilidad, bajo costo, ligereza y una multitud de aplicaciones, desde la industria aeronáutica hasta juguetes para niños. Según Alfrey y Gurnee, el intercambio de calor por conducción es proporcional al volumen de la pieza inyectada. Es decir, ocurre más lentamente en partes gruesas; en partes delgadas, el enfriamiento se producirá en menos tiempo.

Para encontrar un sistema de enfriamiento adecuado para piezas con geometrías complejas, Mercado-Colmenero et al. desarrollaron un nuevo algoritmo capaz de reconocer la topología discreta de la pieza, obteniendo su mapa de profundidad y detectando regiones planas y cóncavas, así como detalles delicados de enfriamiento. El diseño del sistema de canales de enfriamiento es esencial para lograr un mejor control sobre el tiempo de ciclo. Clemente y Panão afirman que la configuración del flujo también es extremadamente relevante en los criterios de optimización para el enfriamiento. 

En la configuración explorada para enfriar insertos de moldes a pequeña escala, el flujo entra a través de un canal y regresa a través de vías secundarias que están igualmente espaciadas y son similares a una forma de paraguas con canales secundarios más pequeños y ángulos de retorno más altos, lo que resulta en un mejor intercambio térmico del refrigerante con el molde. Según Jahan et al., el sistema de enfriamiento para moldes de inyección a través de canales de enfriamiento conformados puede mejorar el rendimiento térmico de un molde de inyección. También se puede mejorar el rendimiento del intercambio de calor entre la pared del molde y la pieza inyectada mediante tratamientos térmicos en la superficie del acero.