Modelización teórico-experimental de nuevo molde electroconformado para rotomoldeo con calentamiento/enfriamiento directo mediante fluido térmico

A mi referente en la vida, por su incondicional y constante apoyo, ayuda y comprensión; mi padre. A mi mujer Yurena, por comprender y soportar las horas de soledad que esta Tesis le ha ocasionado. Al resto de mi familia, pues sin ellos tampoco nada de esto tendría sentido. i AGRADECIMIENTOS Como sucede en todos los ámbitos de la vida, todos necesitamos el aliento y apoyo de los seres próximos para conseguir nuestros deseos, y en mi caso, y en cuanto al desarrollo de esta Tesis Doctoral, no iba a ser diferente. Inicialmente quisiera mostrar mi enorme respeto y agradecimiento al Dr. Antonio Nizardo Benítez Vega, que desde el primer momento implantó la amistad y la sinceridad como los primeros valores indispensables para una plena y óptima complicidad. En estos años, no sólo ha promovido, guiado, corregido y revisado este trabajo académico, sino parte de mis conocimientos, inquietudes y aspectos más personales de mi vida. Solo lamento no poder corresponderle, pues realmente su esfuerzo y dedicación es inmensurable. Mis agradecimientos deben continuar de forma inestimable hacia el Dr. Mario Monzón Verona, promotor intelectual principal de esta Tesis Doctoral, cuya implicación, visión, sabiduría e intuición han sido primordiales en todo momento, además de su valiosa y generosa amistad. Espero haber estado a su altura de miras. Gracias también a la contribución de todos los integrantes del LFI de la ULPGC ha sido posible, de una manera u otra y en menor o mayor medida, completar este laborioso y complicado trabajo, fundamentalmente en el aspecto experimental, donde todos han hecho su aporte de forma incuestionable y desinteresada. Finalmente, dar mi agradecimiento a Rafael Jubindo Elizalde y Atilio Ley Elizalde, ambos jefes y, aún más, amigos en DEBEOCAN S.L., donde durante todo este tiempo y con todo el apoyo posible he podido compatibilizar mi ejercicio profesional con el desarrollo de este trabajo. Indudablemente, junto a mi paciente, apreciada y valiosa familia, resultan una pieza principal de este complicado puzzle. Las Palmas, España. Septiembre 2011 TABLA DE CONTENIDOS iii TABLA DE CONTENIDOS AGRADECIMIENTOS i TABLA DE CONTENIDOS iii ÍNDICE DE TABLAS ix ÍNDICE DE FIGURAS xiii LISTA DE SÍMBOLOS Y ACRÓNIMOS xxiii RESUMEN xxv CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN 3 1.1. P ROPÓSITO DE LA TESIS 4 1.2. F ASES DE LOS TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN 5 1.2.1. Fase I. Estudio y análisis del proceso de rotomoldeo. 5 1.2.2. Fase II. Análisis y desarrollo de un nuevo molde de rotomoldeo 5 1.2.3. Fase III. Fabricación y experimentación de nuevo molde de rotomoldeo. 6 1.3. C ONDICIONANTES DE LOS TRABAJOS 6 1.4. E STRUCTURA DE LA TESIS . 7 CAPÍTULO II. FUNDAMENTOS DEL ROTOMOLDEO Y ESTADO DEL ARTE 11 2.1. I NTRODUCCIÓN 11 2.2. M ÁQUINAS Y MOLDES 15 2.2.1. Máquinas 15 2.2.2. Moldes 18 2.3. E TAPAS DEL PROCESO DE ROTOMOLDEO 20 2.3.1. Etapa de inducción 21 2.3.2. Etapa de sinterización 22 2.3.3. Etapa de densificación 24 2.3.4. Etapas de enfriamiento inicial, cristalización y enfriamiento final 26 2.4. M ATERIALES UTILIZADOS PARA MOLDEO ROTACIONAL 28 2.4.1. Forma, tamaño y distribución de tamaño de partícula 29 2.4.2. Peso molecular y distribución de pesos moleculares 30 2.4.3. Cristalinidad 30 2.5. I NNOVACIONES EN MOLDEO ROTACIONAL 31 2.5.1. Métodos alternativos de calefacción 31 2.5.2. Presurización de moldes 32 2.5.3. Últimas investigaciones y desarrollos 33 CAPÍTULO III. DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO 39 3.1. I NTRODUCCIÓN 39 ÍNDICE DE TABLAS x Tabla 6.14: Valores estadísticos básicos de las temperaturas simuladas en el momento temporal de 120 s 241 Tabla 6.15: Factores de escala globales aplicados a los espesores medios. Temperaturas de simulación numérica a 120 s 245 Tabla 6.16: Factores de escala puntuales aplicados a los espesores de cada punto de medición para obtener una correlación exacta temperatura-espesor. Temperaturas de simulación numérica a 120 s 250 Tabla 6.17: Parámetros estadísticos de los factores aplicados a los espesores según las caras de medición en el molde. Temperaturas de simulación numérica a 120 s 251 Tabla 6.18: Parámetros estadísticos de los factores aplicados a los espesores según los puntos de medición en el molde. Temperaturas de simulación numérica a 120 s 251 Tabla 6.19: Parámetros estadísticos globales de los factores aplicados a los espesores según piezas globales. Temperaturas de simulación numérica a 120 s 252 Tabla 6.20: Parámetros estadísticos de los factores de escala necesarios para la correlación temperatura-espesores de forma global y según los tiempos de ciclo seleccionados para la obtención de los valores de temperaturas 252 Tabla 7.1. Características principales de la máquina de moldeo rotacional RS-160, cortesía de Ferry Industries, INC 267 Tabla 7.2. Tiempos de calentamiento requeridos en función de la temperatura de aire interior del molde deseada para los 3 procesos de rotomoldeo en estudio 276 Tabla 7.3. Tiempos de ciclo completo requeridos en función de la temperatura de aire interior del molde deseada y hasta alcanzar 91 ºC de enfriamiento, para los 3 procesos de rotomoldeo en estudio 276 Tabla 7.4. Reducción del tiempo de ciclo completo del molde prototipo desarrollado respecto a los moldes convencionales, en función de la temperatura de aire interior del molde deseada y hasta alcanzar 91 ºC de enfriamiento 277 Tabla 7.5. Tiempos de ciclo completo requeridos en función de la temperatura de aire interior del molde deseada y hasta alcanzar 70 ºC de enfriamiento, para los procesos de rotomoldeo en molde prototipo y convencional, ambos mediante fluido térmico 277 Tabla 7.6. Reducción del tiempo de ciclo completo del molde prototipo desarrollado respecto al molde convencional de fluido térmico, en función de la temperatura de aire interior del molde deseada y hasta alcanzar 70 ºC de enfriamiento 278 Tabla 7.7. Tiempos de calentamiento requeridos en función de la temperatura de aire interior del molde deseada para los 3 procesos de rotomoldeo en estudio 281 Tabla 7.8. Tiempos de ciclo completo requeridos en función de la temperatura de aire interior del molde deseada y hasta alcanzar 150 ºC de enfriamiento, para los 3 procesos de rotomoldeo en estudio 282 Tabla 7.9. Reducción del tiempo de ciclo completo del molde prototipo desarrollado respecto a los moldes convencionales, en función de la temperatura de aire interior del molde deseada y hasta alcanzar 150 ºC de enfriamiento 282 ÍNDICE DE TABLAS xi Tabla 7.10. Tiempos de ciclo completo requeridos en función de la temperatura de aire interior del molde deseada y hasta alcanzar 93 ºC de enfriamiento, para los procesos de rotomoldeo en molde prototipo y convencional, ambos mediante fluido térmico 283 Tabla 7.11. Reducción del tiempo de ciclo completo del molde prototipo desarrollado respecto al molde convencional de fluido térmico, en función de la temperatura de aire interior del molde deseada y hasta alcanzar 93 ºC de enfriamiento 283 Tabla 7.12. Consumos específicos de combustibles y consumos eléctrico equivalente para ciclo de rotomoldeo simulado a 300 ºC de temperatura, según tecnologías estudiadas 291 Tabla 7.13. Consumos específicos eléctricos y consumos totales para ciclo de rotomoldeo simulado a 300 ºC de temperatura, según tecnologías estudiadas 292 Tabla 7.14. Estimación teórica de producción en procesos de rotomoldeo y parámetros productivos anuales según datos disponibles 293 Tabla 7.15. Consumos específicos eléctricos y consumos totales para ciclo de rotomoldeo simulado a 300 ºC. *Parámetros unitarios por pieza rotomoldeada, considerando una producción simultánea de 4 unidades 294 Tabla 7.16. Emisiones específicas medias anuales del sistema eléctrico peninsular español durante el año 2010 según el informe anual del Observatorio de la Electricidad de la WWF 296 Tabla 7.17. Producción de gases contaminantes según tecnología de rotomoldeo en términos totales anuales y en términos unitarios por pieza fabricada. *Considerando una producción simultánea de 4 unidades por ciclo 296 xii ÍNDICE DE FIGURAS xiii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1. Esquema básico del proceso de moldeo rotacional. 11 Figura 2.2. Crecimiento anual promedio del moldeo rotacional frente a otras técnicas de transformación para los años 1996-2000. 12 Figura 2.3. Gama de productos fabricados mediante rotomoldeo. ABC Rotomoldeo Industrial. 13 Figura 2.4. Máquina de rotomoldeo convencional de horno “Rock and Roll”. 15 Figura 2.5. Máquinas de moldeo rotacional de brazo recto y acodado para giros completos en dos ejes. 16 Figura 2.6. Máquina tipo carrusel de tres brazos fijos. 17 Figura 2.7. Molde de aluminio para moldeo rotacional. 18 Figura 2.8. Evolución de la temperatura del aire que rodea al molde (curva H), del molde (curva X) y del aire del interior del molde (curva Y) durante el proceso de moldeo rotacional y etapas que se observan durante el ciclo. 20 Figura 2.9. Movimiento del polvo en el interior del molde durante la etapa de sinterización. 21 Figura 2.10. Evolución de la interfase entre partículas adyacentes durante la etapa de sinterización. 22 Figura 2.11. Evolución del radio del cuello entre partículas durante el proceso de sinterización. 23 Figura 2.12. Balance de fuerzas sobre una burbuja de aire inmersa en plástico fundido. 24 Figura 2.13. Evolución de la energía de impacto con la temperatura alcanzada por el aire del interior del molde de una pieza de polietileno rotomoldeada. 26 Figura 2.14. Evolución de la cristalinidad, resistencia al impacto y resistencia a la tracción para piezas de polietileno en función de la velocidad de enfriamiento en moldeo rotacional. 28 Figura 2.15. Distribución de tamaño de partícula típica para una resina de moldeo rotacional. 29 Figura 2.16. Efecto de la introducción de sobrepresión en el interior del molde durante las etapas de densificación y enfriamiento inicial 32 Figura 2.17. Evolución del a temperatura del aire del interior del molde para un ciclo convencional y un ciclo con presurización 33 Figura 3.1: Discretización de variables 39 Figura 3.2: Mallas con nodos centrados en los elementos y centrados en los vértices 42 Figura 3.3: Diagrama retroalimentado de metodología de diseño y cálculo 49 Figura 3.4: Horno de rotomoldeo de calentamiento por aire 52 Figura 3.5: Molde de moldeo rotacional fabricado en aluminio 52 Figura 3.6: Molde de rotomoldeo de calentamiento por canales exteriores de aceite 54 Figura 3.7: Modelo básico de molde de rotomoldeo de canales exteriores de aceite 57 ÍNDICE DE FIGURAS xiv Figura 3.8: Distribución del coeficiente de consistencia del aceite térmico en función de su temperatura 59 Figura 3.9: Distribución del calor específico del aluminio en función de su temperatura 59 Figura 3.10: Distribución de la conductividad térmica del aluminio en función de su temperatura 60 Figura 3.11: Imagen de subdominios de aceite (marrón) y aire (malva) en el interior del molde 61 Figura 3.12: Distribución de temperaturas del flujo de entrada de aceite durante el ciclo 63 Figura 3.13: Representación del mallado realizado sobre el molde de canales exteriores de aceite 65 Figura 3.14: Temperaturas de los fluidos del proceso simulado de rotomoldeo del molde de canales exteriores 68 Figura 3.15: Temperaturas de sólidos del proceso simulado de rotomoldeo del molde de canales exteriores 68 Figura 3.16: Coeficiente de variación de la uniformidad térmica del proceso simulado de rotomoldeo de la cavidad interior del molde de canales exteriores 69 Figura 3.17: Modelo básico del molde de rotomoldeo prototipo de canal envolvente de aceite 71 Figura 3.18: Temperaturas de los fluidos del proceso simulado de rotomoldeo del molde prototipo de canal envolvente 72 Figura 3.19: Temperaturas de sólidos del proceso simulado de rotomoldeo del molde de canales exteriores 73 Figura 3.20: Coeficiente de variación de la uniformidad térmica del proceso simulado de rotomoldeo de la cavidad interior del molde prototipo de canal envolvente 73 Figura 3.21: Comparativa de temperaturas de aire interior del proceso simulado de rotomoldeo del molde prototipo de canal envolvente y de canales exteriores 73 Figura 3.22: Comparativa de temperaturas del proceso simulado de rotomoldeo del molde prototipo de canal envolvente y de canales exteriores 74 Figura 3.23: Comparativa del coeficiente de variación de la uniformidad del proceso simulado de rotomoldeo del molde prototipo de canal envolvente y de canales exteriores 75 Figura 3.24: Comparativa del coeficiente de variación de la uniformidad desplazada, del proceso simulado de rotomoldeo del molde prototipo de canal envolvente y de canales exteriores 76 Figura 3.25: Comparativa de la uniformidad del calentamiento del proceso simulado de rotomoldeo del molde prototipo de canal envolvente y de canales exteriores 76 Figura 3.26: Diferencia porcentual del coeficiente de variación de la uniformidad del molde prototipo de canal envolvente en relación al molde de canales exteriores en el proceso de calentamiento 77 Figura 3.27: Comparativa del coeficiente de variación de la uniformidad de enfriamiento del proceso simulado de rotomoldeo del molde prototipo de canal envolvente y de canales exteriores 77 Figura 3.28: Diferencia porcentual del coeficiente de variación de la uniformidad del molde prototipo de canal envolvente en relación a molde de canales exteriores en el proceso de enfriamiento 78 ÍNDICE DE FIGURAS xv Figura 3.29: Distribución de temperaturas interiores del molde de canales exteriores (izquierda) y molde prototipo de canal envolvente (derecha) en diferentes momentos del proceso simulado de rotomoldeo 81 Figura 3.30: Imágenes de cavidad interior del molde básico de níquel de 1 mm de espesor 82 Figura 3.31: Velocidad de calentamiento del interior del aire en proceso simulado de rotomoldeo de molde de canal envolvente. Duración de ciclo necesaria para alcanzar 250ºC en temperatura interior de aire en función del flujo volumétrico de aceite 85 Figura 3.32: Velocidad de calentamiento de cara de entrada de molde de canal envolvente en proceso simulado de rotomoldeo. Duración de ciclo necesaria para alcanzar 250ºC en temperatura de cara de entrada en función del flujo volumétrico de aceite 85 Figura 3.33: Velocidad de calentamiento de cara lateral de molde de canal envolvente en proceso simulado de rotomoldeo. Duración de ciclo necesaria para alcanzar 250ºC en temperatura de cara lateral en función del flujo volumétrico de aceite 86 Figura 3.34: Velocidad de calentamiento de cara de salida de molde de canal envolvente en proceso simulado de rotomoldeo. Duración de ciclo necesaria para alcanzar 250ºC en temperatura de cara de salida en función del flujo volumétrico de aceite. 86 Figura 3.35: Diagramas de configuración de entradas y salidas de flujo en molde de rotomoldeo de canal envolvente (izquierda), distribución de temperaturas de la configuración de entradas y salidas en proceso simulado de rotomoldeo (centro) y el Coeficiente de variación de la uniformidad térmica de la cavidad interior del molde para la configuración de entradas y salidas simulada (derecha) 94 Figura 3.36: Configuración de 32 entradas y 32 salidas de flujo en el molde (izquierda) y configuración de 30 entradas y 30 salidas de flujo en el molde (derecha) 96 Figura 3.37: Configuración de 32 entradas y 32 salidas de flujo en el molde (izquierda) y configuración de 18 entradas y 18 salidas de flujo en el molde (derecha) 96 Figura 3.38: Comparativa de temperaturas de configuración de 32 entradas y 32 salidas y configuración de 15 entradas y 15 salidas, en procesos simulados de rotomoldeo de molde de canal envolvente 99 Figura 3.39: Comparativa de temperaturas de caras de entradas de configuración de 32 entradas y 32 salidas y configuración de 15 entradas y 15 salidas, en procesos simulados de rotomoldeo de molde de canal envolvente 99 Figura 3.40: Comparativa de temperaturas de caras laterales de configuración de 32 entradas y 32 salidas y configuración de 15 entradas y 15 salidas, en procesos simulados de rotomoldeo de molde de canal envolvente 100 Figura 3.41: Comparativa de temperaturas de caras de salidas de configuración de 32 entradas y 32 salidas y configuración de 15 entradas y 15 salidas, en procesos simulados de rotomoldeo de molde de canal envolvente 100 Figura 3.42: Comparativa de temperaturas de punto interior de aire de configuración de 32 entradas y 32 salidas y configuración de 15 entradas y 15 salidas, en procesos simulados de rotomoldeo de molde de canal envolvente 101 ÍNDICE DE FIGURAS xvi Figura 3.43: Comparativa del coeficiente de variación de la uniformidad térmica de caras de molde de configuración de 32 entradas y 32 salidas y configuración de 15 entradas y 15 salidas, en procesos simulados de rotomoldeo de molde de canal envolvente 102 Figura 3.44: Configuración básica inicial de manifold de 1 entrada y 25 salidas 104 Figura 3.45: Manifold de canales circulares interiores concéntricos (a), manifold de canales interiores elípticos (b), manifold de canales interiores en ramificación piramidal múltiple (c), manifold de cavidades interiores piramidales (d), manifold de canales interiores en ramificación mallada (e) y manifold de canales interiores ramificados cilíndricos (f) 107 Figura 3.46: Manifold octopus, de canales interiores ramificados, cilíndricos, sección constante y longitudes equivalentes. Vista frontal (izquierda) y vista lateral con trazado interior oculto (derecha) 108 Figura 3.47: Vistas varias de manifold octopus 108 Figura 3.48: Vistas varias de canales interiores de manifold octopus 108 Figura 3.49: Vistas varias del canal doble esférico central del manifold octopus 109 Figura 3.50: Configuración de 15 aberturas de salida de flujo en manifold (izquierda) y coeficiente de variación de la uniformidad del flujo volumétrico del conjunto de 15 aberturas de salida (derecha) 110 Figura 3.51: Configuración de 20 aberturas de salida de flujo en manifold (izquierda) y coeficiente de variación de la uniformidad del flujo volumétrico del conjunto de 20 aberturas de salida (derecha) 110 Figura 3.52: Configuración de 25 aberturas de salida de flujo en manifold (izquierda) y coeficiente de variación de la uniformidad del flujo volumétrico del conjunto de 25 aberturas de salida (derecha) 110 Figura 3.53: Vistas varias del manifold octopus completo, en caras opuestas 111 Figura 3.54: Vistas varias de diseño final del manifold octopus completo, en caras opuestas, incluyendo cavidades de acople de soportes y otros elementos 111 Figura 3.55: Vistas varias de diseño final de cavidad interior de molde de níquel de 1 mm de espesor 112 Figura 3.56: Vistas varias de soportes superior, inferior y crucetas laterales 113 Figura 3.57: Vistas varias de diseños básicos de cavidad interior de molde de níquel de 1 mm de espesor. De izquierda a derecha, en forma cúbica, cilíndrica, tronco piramidal y semiesférica 114 Figura 3.58: Vistas varias de diseño final de molde de rotomoldeo completo de calentamiento por aceite a través de canal envolvente, manifold octopus y cavidad interior del molde de níquel de 1 mm 115 Figura 4.1: Espesor de rigidez a flexión equivalente entre diferentes materiales 119 Figura 4.2: Espesor de transferencia térmica equivalente entre diferentes materiales 120 Figura 4.3: Máquina FDM del LFI 122 Figura 4.4: Software Quickslice de la máquina FDM del LFI 123 Figura 4.5: Esquema de trabajo y máquina de FDM controlada por PC 124 Figura 4.6: Esquemas de funcionamiento del sistema SLS 125 Figura 4.7: Máquina de sinterizado 125 Figura 4.8: Esquema de funcionamiento y detalle 3D de proceso de impresión 3D 127 ÍNDICE DE FIGURAS xvii Figura 4.9: Fases básicas del electroconformado: modelo prototipo (a), deposición de níquel en el modelo (b) y pieza electroconformada obtenida (c) 128 Figura 4.10: Pruebas de variación de la dureza con la densidad de corriente para pH=4 y Temperatura=45ºC, realizadas por el LFI 130 Figura 4.11: Marcado del modelo master 132 Figura 4.12: Caja del molde 132 Figura 4.13: Creación del molde 132 Figura 4.14: Extracción del aire interno 132 Figura 4.15: Abertura del molde terminado por corte 133 Figura 4.16: Esquema e imágenes del proceso de fabricación de cavidad electroconformada del molde 134 Figura 4.17: Imágenes de fichero STL generado de la cavidad interior a electroconformar 135 Figura 4.18: Imágenes del modelo fabricado mediante FDM 136 Figura 4.19: Proceso de electrodeposición de níquel 137 Figura 4.20: Máquina de electrodeposición del LFI 140 Figura 4.21: Imágenes de la cavidad interior electroconformada 142 Figura 4.22: Imágenes del diseño de soportes y estructura del molde 143 Figura 4.23: Imágenes del despiece de los soportes y estructura del molde fabricados 143 Figura 4.24: Montaje final de los soportes y estructura del molde fabricados 144 Figura 4.25: Imágenes de máquina SolidScape T66 145 Figura 4.26: Imágenes de los canales interiores del manifold. Diseño (izquierda) y modelo fabricado en cera (derecha) 146 Figura 4.27: Imágenes del montaje previo a la fabricación del molde de silicona 146 Figura 4.28: Imagen detalle del acoplamiento de los canales de cera y el resto de elementos previo al moldeo de silicona 147 Figura 4.29: Imágenes del manifold de silicona obtenido y soportes fabricados y ensamblados antes de la fundición de la cera 148 Figura 4.30: Imagen detalle del acoplamiento de los canales de cera y el resto de elementos tras el moldeo de silicona 148 Figura 4.31: Manifold fabricado mediante sinterizado y detalle de aberturas de salida de aceite del manifold 149 Figura 4.32: Vistas varias de diseño final de molde de rotomoldeo completo de calentamiento por aceite a través de canal envolvente, manifold octopus y cavidad interior del molde de níquel de 1 mm 151 Figura 5.1: Imagen de máquina de moldeo rotacional tipo “Rock and Roll” 157 Figura 5.2: Diseño de la estructura base de la máquina de rotomoldeo 158 ÍNDICE DE FIGURAS xviii Figura 5.3: Diseño de soportes sobre base general de la máquina de rotomoldeo 158 Figura 5.4: Diseño de base de basculación de la máquina de rotomoldeo 159 Figura 5.5: Diseño de sistema de movimiento de basculación de la máquina de rotomoldeo 159 Figura 5.6: Diseño de sistema de movimiento de giro del molde de la máquina de rotomoldeo 160 Figura 5.7: Diseño del plato perforado soporte del molde y del soporte de cojinetes de la máquina de rotomoldeo 160 Figura 5.8: Baño termostático utilizado en la máquina de rotomoldeo 161 Figura 5.9: Bomba de aceite volumétrica estándar 161 Figura 5.10: Junta rotativa utilizada en la máquina de rotomoldeo fabricada 162 Figura 5.11: Cuadro de control de la máquina de rotomoldeo fabricada 163 Figura 5.12: Termopar con data logger incorporado e interface USB 165 Figura 5.13: Ubicación de termopar para la medida de la temperatura del aire interior del molde 166 Figura 5.14: Termopar con terminar circular y film adhesivo 167 Figura 5.16: Medidor de temperatura digital RS y termopar incorporado 168 Figura 5.17: Esquema de procesos de calentamiento y enfriamiento de la máquina de rotomoldeo fabricada 169 Figura 5.18: Imágenes varias del diseño general de la máquina de moldeo rotacional 170 Figura 5.19: Imágenes varias reales de la máquina de moldeo rotacional fabricada incluyendo carcasa exterior de protección 171 Figura 5.20: Gráfica de densidad del SM-OIL TEMPLE 172 Figura 5.21: Gráfica de calor específico del SM-OIL TEMPLE 173 Figura 5.22: Gráfica de conductividad térmica del SM-OIL TEMPLE 173 Figura 5.23: Gráfica de viscosidad del SM-OIL TEMPLE 173 Figura 5.24: Imágenes de piezas obtenidas con agua como fluido térmico en máquina de moldeo rotacional fabricada 181 Figura 6.1: Diagrama de temperaturas a 100 ºC obtenidos en ensayos experimentales y en simulación numérica 194 Figura 6.2: Diagrama de temperaturas a 120 ºC obtenidos en ensayos experimentales y en simulación numérica 194 Figura 6.3: Diagrama de temperaturas a 140 ºC obtenidos en ensayos experimentales y en simulación numérica 195 Figura 6.4: Detalle de diagrama de temperaturas a 140 ºC obtenidos en ensayos experimentales y en simulación numérica 196 Figura 6.5: Diagrama de temperaturas a 120 ºC obtenidos en ensayos experimentales y en simulación numérica con ajuste de temperatura media de enfriamiento 197 ÍNDICE DE FIGURAS xix Figura 6.6: Diagrama de temperaturas a 140 ºC obtenidos en ensayos experimentales y en simulación numérica con ajuste de temperatura media de enfriamiento 198 Figura 6.7: Diagrama de porcentaje de temperatura de níquel alcanzada en relación a la temperatura de aceite, en ensayos experimentales 199 Figura 6.8: Diagrama de porcentaje de error entre temperatura de níquel de ensayo experimental y temperatura simulada, ambas con temperatura de calentamiento de 100 ºC 202 Figura 6.9: Diagrama de porcentaje de error entre temperatura de níquel de ensayo experimental y temperatura simulada, ambas con temperatura de calentamiento de 120 ºC 202 Figura 6.10: Diagrama de porcentaje de error entre temperatura de níquel de ensayo experimental y temperatura simulada, ambas con temperatura de calentamiento de 140 ºC 203 Figura 6.11: Diagrama de porcentaje de temperatura del aire interior del molde alcanzada en relación a la temperatura de aceite, en ensayos experimentales 204 Figura 6.12: Detalle de diagrama de temperaturas a 140 ºC obtenidos en ensayos experimentales y en simulación numérica 206 Figura 6.13: Diagrama de porcentaje de error entre temperatura de aire de ensayo experimental y temperatura simulada, ambas con temperatura de calentamiento de 100 ºC 207 Figura 6.14: Diagrama de porcentaje de error entre temperatura de aire de ensayo experimental y temperatura simulada, ambas con temperatura de calentamiento de 120 ºC 207 Figura 6.15: Diagrama de porcentaje de error entre temperatura de aire de ensayo experimental y temperatura simulada, ambas con temperatura de calentamiento de 140 ºC 208 Figura 6.16: Diagrama de temperaturas a 100 ºC obtenidos en ensayos experimentales sin carga de material y con 70 gramos 209 Figura 6.17: Diagrama de temperaturas a 120 ºC obtenidos en ensayos experimentales sin carga de material y con 70 gramos 210 Figura 6.18: Diagrama de temperaturas a 140 ºC obtenidos en ensayos experimentales sin carga de material y con 70 gramos 210 Figura 6.19: Diagrama de incrementos de temperaturas obtenidos en ensayos experimentales con 70 gramos y a 100ºC 212 Figura 6.20: Diagrama de incrementos de temperaturas obtenidos en ensayos experimentales con carga de material a 120ºC 212 Figura 6.21: Diagrama de incrementos de temperaturas obtenidos en ensayos experimentales con carga de material a 140ºC 213 Figura 6.22: Diagrama de temperaturas del aire interior del molde obtenidos en ensayos experimentales con carga de material a 100 ºC, 120 ºC y 140ºC 215 Figura 6.23: Detalle del desfase de temperaturas en diagrama de temperaturas a 100 ºC obtenidos en ensayos experimentales con material y en simulación numérica 217 Figura 6.24: Reducción del tiempo de calentamiento en diagrama de temperaturas del aire interior obtenidos en ensayos experimentales con material 218 RESUMEN xxvi máquina de ensayo de rotomoldeo adaptada al molde prototipo, totalmente operativa y adecuada al proceso de calentamiento y enfriamiento mediante aceite térmico. Los ensayos realizados del molde prototipo han permitido caracterizar tanto al proceso de rotomoldeo en sí, como al propio molde y a las piezas conformadas mediante material EVA, con temperaturas máximas de 160 ºC, limitada ésta por el aceite sintético utilizado. A partir de los datos disponibles de los moldes convencionales de calentamiento mediante hornos, concretamente de los datos experimentales de la máquina RS-160 de la Universidad de Queen’s (Irlanda), de los datos del propio fabricante, así como de datos disponibles de diversas fuentes académicas, ha sido posible evaluar los procesos convencionales de rotomoldeo mediante hornos y de rotomoldeo mediante canales exteriores de aceite, modelándolos mediante CFD y realizando análisis comparativos entre los datos experimentales obtenidos en los diferentes casos y los datos teóricos obtenidos en los procesos computacionales. Los resultados finales obtenidos, acorde con las previsiones obtenidas en los procesos de cálculo y simulación numérica, han permitido, además de validar los procesos de análisis computacional, ratificar las bondades del molde prototipo desarrollado. La reducción del tiempo de ciclo requerido para la fabricación de piezas rotomoldeadas alcanzó valores superiores al 64%, lo que implica una importante mejora en la producción de piezas y en la competitividad con otras tecnologías. En cuanto a la eficiencia energética, en el menor de los casos, el molde prototipo redujo las necesidades energéticas en un 87% de las necesarias en los moldes convencionales de horno con consumo de combustibles y energía eléctrica. Consecuentemente, y desde una visión medioambiental, se alcanzaron reducciones de las emisiones de gases contaminantes a la atmósfera superiores al 95% de CO 2 , y del 53,51% en SO 2 y NO x , confirmando al modelo desarrollado no solo como un molde y proceso de rotomoldeo de alta eficiencia, sino de mínimas emisiones al medio ambiente. Dada las enormes cualidades del molde prototipo desarrollado solo queda potenciar las futuras líneas de investigación y desarrollo, con el fin de completar la optimización del mismo y su ajuste para la incorporación al mundo industrial del moldeo rotacional. Capítulo I INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN I-3 1. INTRODUCCIÓN Actualmente vivimos en una sociedad de la información y las telecomunicaciones, cuyo principal activo es el tratamiento y difusión de la información como elemento productivo. Dicha información se encuentra disponible en las amplias redes sociales existentes, permitiendo a cualquier persona acceder a un mundo de conocimiento como jamás se había pensado. Ese flujo de información esta permitiendo, cada vez más rápidamente, optimizar cualquier tipo de trabajo, proceso u organización, incrementando la productividad, reduciendo costes, y en definitiva, mejorando la eficiencia. La gran mayoría de los procesos productivos actuales se han modernizado, algunos en gran medida, permitiendo adentrarse y mantenerse en los mercados, cada vez más cambiantes y agresivos. Sin embargo, convive con la modernidad otros procesos no tan desarrollados, menos optimizados, y que en ocasiones pierden su ventaja competitiva, su potencial inicial, y terminan siendo sustituidos por nuevas tecnologías. En la época actual, la diferenciación es un factor principal. Los criterios de los consumidores se caracterizan por la búsqueda de la diferenciación, en contra de la estandarización. Los productos disponen de un mayor valor cuando además de cumplir su función principal, son únicos, limitados o están bien diferenciados respecto al resto. Los usuarios evitan el consumo de productos estándares, centrándose en la búsqueda de productos personalizados, desde productos textiles hasta joyas, vehículos e incluso productos más personales. Este cambio social obliga a la adaptación de los procesos productivos, de los procesos de fabricación, a las herramientas y utillajes necesarios, de forma que manteniendo los costes y evitando el encarecimiento de los productos, dichos procesos deben innovar para encontrar soluciones a este cambio cultural. En el ámbito de la fabricación con materiales plásticos, diversos son los procesos de transformación existentes en función de las piezas a generar, sus necesidades funcionales, capacidades mecánicas o requerimientos estéticos. La inyección, extrusión o el soplado son algunos de los principales procesos de transformación de plásticos, pudiéndose establecer la inyección como una de las tecnologías con mayor evolución y desarrollo en los últimos tiempos. Otros procesos, como el rotomoldeo, no han tenido la repercusión social y técnica suficiente como para una optimización en tal alto grado, quedando limitados sus desarrollos a pequeñas innovaciones o mejores automatizaciones, pero en definitiva, manteniendo similares condiciones productivas. Un aspecto crucial para la innovación y CAPÍTULO I I-4 desarrollo de estas tecnologías es la simplicidad de los procesos, su flexibilidad para adaptarse a los cambios, la reducción de los costes y la personalización de las piezas, en contra de la fabricación en serie. Con el desarrollo de las modernas tecnologías de fabricación rápida de herramientas (Rapid Tooling) y de prototipado rápido (Rapid Prototyping), muchas tecnologías convencionales pueden ver resueltas gran parte de sus limitaciones. Dichas tecnologías permiten la creación de nuevos componentes, fabricados en tiempos muy inferiores, con nuevos materiales, mayores prestaciones e incluso a costes reducidos, que incorporados a los procesos productivos convencionales permitirían obtener productos personalizados a bajo coste, desde el diseño inicial hasta su acabado final, todo ello en tiempos totales de ciclo muy inferiores a los de las tecnologías convencionales. El grupo de investigación del Laboratorio de Fabricación Integrada de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria se encuentra inmerso desde hace varios años en varias líneas de investigación relacionadas con los procesos de transformación de materias plásticas y la utilización y desarrollo de las tecnologías de Rapid Prototyping y Rapid Tooling, desde los procesos de fabricación 3D hasta el electroconformado. Esta amplia experiencia, tanto en estas modernas tecnologías como en las más convencionales, permite el desarrollo de nuevos modelos productivos y la optimización de procesos convencionales. 1.1. PROPÓSITO DE LA TESIS En los últimos años, el Laboratorio de Fabricación Integrada ha desarrollado una estrecha relación con la Universidad de Queen’s, en Belfast (Irlanda), estableciendo una clara línea de investigación en el campo del rotomoldeo. Este proceso de transformación de termoplásticos dispone de un amplio campo de aplicación, sin embargo, también dispone de grandes limitaciones susceptibles de ser optimizadas. La línea de investigación aquí desarrollada pretende atenuar algunas de las limitaciones fundamentales de estos procesos convencionales de rotomoldeo, acercándolos a los nuevos avances tecnológicos en la fabricación de moldes, utillajes y elementos accesorios, permitiendo así una mayor eficiencia energética, la optimización de los procesos de calentamiento y enfriamiento, los tiempos de ciclo de fabricación y la versatilidad en la fabricación rápida de moldes de rotomoldeo mediante tecnologías de Rapid Prototyping y Rapid Tooling. INTRODUCCIÓN I-5 1.2. FASES DE LOS TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN Son varios los procesos de rotomoldeo, las diferentes configuraciones del mismo proceso, sus variantes o las configuraciones de calentamiento o movimiento de los moldes, pero todos se basan en los mismos fundamentos, como se desarrolla en el capítulo siguiente. Estos fundamentos se han mantenido prácticamente intactos desde los inicios del rotomoldeo, pudiéndose resaltar 2 desventajas fundamentales del proceso:  Largos tiempos de ciclo del proceso de fabricación.  Baja eficiencia energética del proceso. En vista de los problemas detectados que plantean los procesos de rotomoldeo se desarrolla las siguientes fases de trabajo: 1.2.1. Fase I. Estudio y análisis del proceso de rotomoldeo.  Análisis de los fundamentos y estado del arte del rotomoldeo.  Estudio de los procesos convencionales de fabricación de moldes de rotomoldeo.  Estudio de las limitaciones y condicionantes de los procesos de rotomoldeo.  Estudio de los requerimientos exigidos por un molde de rotomoldeo y de las herramientas accesorias.  Análisis básico inicial de las posibles innovaciones sobre el proceso.  Simulación mediante Dinámica de Fluidos Computacional del proceso convencional de rotomoldeo y sus parámetros fundamentales.  Determinación de parámetros y variables modificables fundamentales. 1.2.2. Fase II. Análisis y desarrollo de un nuevo molde de rotomoldeo  Estudio inicial del molde de rotomoldeo prototipo, caracterización básica y limitaciones del diseño.  Análisis y desarrollo del molde prototipo de rotomoldeo a partir de las mejoras sobre los moldes de rotomoldeo convencionales.  Desarrollo del proceso de calentamiento y enfriamiento mediante aceite térmico y su implementación en el molde prototipo.  Simulación numérica mediante Dinámica de Fluidos Computacional del molde prototipo de rotomoldeo.  Estudio de los efectos del tiempo de ciclo y la uniformidad térmica del proceso de rotomoldeo en el molde prototipo. CAPÍTULO I I-6  Estudio comparativo del molde prototipo de rotomoldeo y molde convencional.  Valoración de las optimizaciones teóricas obtenidas en el molde prototipo.  Estudio de tecnologías para la fabricación del molde prototipo. 1.2.3. Fase III. Fabricación y experimentación de nuevo molde de rotomoldeo.  Selección de las tecnologías para la fabricación del molde prototipo.  Fabricación de molde prototipo de rotomoldeo mediante tecnologías de Rapid Prototyping y Rapid Tooling.  Fabricación de banco de ensayo experimental de rotomoldeo e implementación del sistema de adquisición de datos.  Desarrollo de la metodología de ensayos del molde prototipo de rotomoldeo y operatividad del banco experimental.  Experimentación y desarrollo de ensayos del molde prototipo de rotomoldeo según metodología desarrollada.  Obtención y tratamiento de datos de los procesos de experimentación.  Análisis de los resultados obtenidos.  Estudios comparativos del desarrollo teórico, los datos experimentales y validación del proceso de desarrollo.  Establecimiento de conclusiones y líneas futuras de investigación. 1.3. CONDICIONANTES DE LOS TRABAJOS El desarrollo de la presente investigación no ha estado exento de inconvenientes y limitaciones, desde sus inicios hasta su conclusión final. El proceso de rotomoldeo es una de las tecnologías más desconocidas y menos desarrolladas en la transformación de polímeros. Son bastantes reducidas las fábricas que utilizan esta tecnología y menos aún los fabricantes que desarrollan máquinas a nivel industrial por lo que el acceso a la información de dichas tecnologías no es equiparable a los restantes procesos de fabricación. Por otra parte, en el mundo académico son reducidas las líneas de investigación, sobre todo en Europa, y gran parte de ellas se encuentran asociadas a los departamentos de desarrollos bien de grandes fábricas de componentes plásticos o a asociaciones concretas de fabricantes de rotomoldeo, por lo que también existe un importante recelo con los resultados obtenidos en los desarrollos de sus investigaciones. INTRODUCCIÓN I-7 Debido a que los procesos de rotomoldeo están orientados a la fabricación de productos de gran tamaño y volumen, el desarrollo de un prototipo de investigación, a escala inferior a la real, y los resultados obtenidos del mismo son difícilmente escalables y comparables con los pocos datos disponibles de los procesos industriales por lo que es necesario validar todos los procesos de análisis y desarrollo realizados a través de la vía experimental propia, tanto de los moldes desarrollados como de los moldes objeto de estudio. 1.4. ESTRUCTURA DE LA TESIS. Para una mayor comprensión del documento se expone la distribución de capítulos del mismo con un breve resumen de cada uno de ellos: • Capítulo 1. Introducción • Capítulo 2. Estado del arte. Pretende introducirse en los fundamentos del proceso de rotomoldeo así como de sus principales características, ventajas y limitaciones. Además se aporta una visión actual del desarrollo e innovación en dicho campo, los últimos avances y las previsiones futuras. • Capítulo 3. Desarrollo y análisis teórico del molde de rotomoldeo prototipo. En este capítulo se inician los procesos de estudios teóricos de obtención de un nuevo molde prototipo de rotomoldeo, centrado en la búsqueda de las limitaciones y problemáticas de los moldes convencionales y estableciendo las modificaciones necesarias para la creación de un molde optimizado. En este apartado clave se exponen los procesos realizados y las herramientas utilizadas para la generación de un molde de rotomoldeo más eficiente. • Capítulo 4. Procesos de fabricación del molde de rotomoldeo prototipo. Tras la optimización teórica del proceso de rotomoldeo a través del molde como elemento principal, se desarrollan los imprescindibles procesos de fabricación, describiéndose las técnicas, herramientas y materiales utilizados para la creación física real del molde prototipo. • Capítulo 5. Experimentación del molde prototipo de rotomoldeo. Se presentan en el dicho apartado la metodología, herramientas, materiales requeridos para los CAPÍTULO I I-8 procesos experimentales, así como las variables de estudio y el tratamiento de dichos datos. • Capítulo 6. Obtención y análisis de resultados. Se mostrarán todos los resultados obtenidos en los procesos experimentales, de forma ordenada y estructurada, aportando además un completo análisis comparativo de estos datos y los teóricamente calculados, tanto de los moldes convencionales de aceite como del desarrollado, de forma crítica y explícita. Este capítulo resalta la validación de los procesos teóricos y de simulación numérica realizados. • Capítulo 7. Estudio energético comparativo entre el proceso desarrollado y procesos convencionales de rotomoldeo. A partir de los resultados experimentales obtenidos, de los disponibles de fuentes externas y de los obtenidos en los procesos de cálculo iniciales de las diferentes tecnologías estudiadas, se determinarán comparativamente los principales parámetros de dichas tecnologías, fundamentalmente desde el punto de vista energético. • Capítulo 9. Conclusiones y líneas futuras de investigación. Finalmente, como último apartado del documento, se establecen las conclusiones principales del proyecto de investigación y se plantean las posibles líneas futuras de investigación. Capítulo II FUNDAMENTOS DEL ROTOMOLDEO Y ESTADO DEL ARTE CAPÍTULO II II-16 Figura 2.5. Máquinas de moldeo rotacional de brazo recto y acodado para giros completos en dos ejes. En el primer tipo de brazo (brazo recto) se puede colocar mayor número de moldes en cada ciclo, pero deben ser de menor tamaño que en el caso del brazo acodado. En ambos tipos de brazo los motores que hacen girar cada eje son independientes, de modo que se puede seleccionar distintas velocidades de rotación en cada eje para obtener la relación de rotación deseada. La velocidad de rotación óptima para conseguir una distribución adecuada del material dependerá especialmente de la geometría de la pieza que se desea moldear. Por ejemplo, para geometrías esféricas se recomienda una velocidad de rotación de 12 rpm (para el eje principal) y una relación de rotación de 4:1, mientras que para piezas alargadas (montadas en el molde horizontalmente) la relación que recomiendan los fabricantes es 8:1 (y 1:5 si van montadas verticalmente). Por lo general, el molde debe mantenerse girando durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento. En cuanto al sistema de calentamiento, en el pasado se realizaron diversos intentos para calentar los moldes con aceite o disoluciones salinas calientes que circulaban por camisas situadas alrededor de los moldes, pero hoy en día este tipo de calefacción no es habitual. Estos métodos ofrecen muy buena eficacia para la transmisión de calor pero presentan problemas de mantenimiento. En las máquinas modernas de rotomoldeo se emplea un horno de convección forzada para calentar los moldes. En la mayoría de los casos el horno se calienta por combustión de un gas, aceite o electricidad como fuente de energía. La electricidad es limpia pero lenta, el aceite requiere cuidados y mantenimiento regular, por lo que habitualmente se prefieren los hornos calentados por la combustión de un gas. Para conseguir una buena circulación del aire en el interior del horno se emplean ventiladores y tabiques deflectores, de modo que se evita la aparición de zonas muertas. Habitualmente se emplea como sistema de enfriamiento aire forzado, agua pulverizada o combinaciones de ambos. En ocasiones se pueden sumergir los moldes en FUNDAMENTOS DEL ROTOMOLDEO Y ESTADO DEL ARTE II-17 baños de agua. Los sistemas de giro, calentamiento y enfriamiento son muy parecidos en todas las máquinas industriales. Las distintas máquinas de rotomoldeo empleadas industrialmente difieren principalmente en la disposición de las distintas estaciones (calentamiento/enfriamiento/descarga/carga) y en la forma de transferir los moldes de una estación a otra. Las máquinas más corrientes hoy en día son, sin duda, las máquinas tipo carrusel. Estas máquinas resultan muy eficientes, altamente productivas y de bajo mantenimiento. Las máquinas carrusel de tres brazos fijos, como la que se muestra en la figura 2.6 tienen tres estaciones, por lo que los brazos giran 120º para desplazarse. Se emplean cuando los ciclos de horno y enfriamiento tienen duraciones similares y cuando la carga y descarga pueden ser fácilmente manipuladas. En las máquinas de brazos fijos el tiempo en que los brazos están en cada estación está controlado por la duración de la etapa más lenta. Figura 2.6. Máquina tipo carrusel de tres brazos fijos. [2] Cuando la duración de uno de los ciclos es muy superior a la duración de los otros se pueden emplear máquinas de 4 brazos, los cuales forman un ángulo de 90º entre sí. En estas máquinas la estación más lenta se encuentra duplicada. Actualmente estas máquinas están siendo equipadas con brazos independientes, de modo que la planificación de la producción es mucho más versátil. Además la mayoría de las máquinas modernas disponen de una línea de aire frío y/o caliente que circula por el interior del brazo que puede introducirse en el interior del molde o dirigirse a algún punto del exterior donde el acceso del frío o el calor es más complicado. CAPÍTULO II II-18 2.2.2. Moldes Los moldes son piezas clave en el proceso de rotomoldeo. Deben tener los siguientes requerimientos básicos: • El material del que están fabricados debe tener una buena conductividad térmica para que el calor se transfiera o se elimine del plástico lo más rápidamente posible • Deben tener la suficiente resistencia mecánica para permanecer sin alabearse durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento a que deben ser sometidos • Las dos partes del molde deben disponer de un sistema de cierre que permita cerrarlo fuertemente y abrirlo con sencillez • Deben poder montarse sobre el brazo o plato de forma que no se impida la circulación del aire a su alrededor • Deben tener un respiradero que tiene la función de mantener la presión del interior del molde igual a la atmosférica. Esto es muy importante si se tiene en cuenta el gran volumen de aire que se aloja en el interior de los moldes y la gran variación de temperatura que se produce a lo largo del ciclo Si el respiradero se bloquea en algún momento de la etapa de calentamiento puede dar lugar a sobrepresión que podría provocar que el material saliera por la línea de partición, o si el bloqueo del respiradero se produce durante la etapa de enfriamiento, se pueden producir presiones por debajo de la atmosférica, lo que puede conducir a piezas rechupadas y deformadas. En la figura 2.7 se muestra un molde típico de aluminio empleado en moldeo rotacional. [3] Figura 2.7. Molde de aluminio para moldeo rotacional. [2] FUNDAMENTOS DEL ROTOMOLDEO Y ESTADO DEL ARTE II-19 Los moldes normalmente están constituidos por dos mitades, aunque cuando la geometría de la pieza es complicada pueden tener más partes para facilitar el desmoldeo. Se pueden fabricar a partir de distintos materiales, como el acero, aluminio y aleaciones de cobre/níquel. En cuanto a los métodos de fabricación, generalmente se fabrican por mecanización, galvanoplastia y fundición. Los moldes de aluminio fundido son los más empleados, especialmente cuando se moldean formas complejas. El precio de una colada puede ser relativamente elevado, si bien cuando se fabrican diversas cavidades suele preferirse este tipo de moldes sobre otros. Por otra parte, estos moldes son algo más blandos y susceptibles de estropearse que, por ejemplo, los moldes fabricados de planchas de acero. Los moldes galvanizados, generalmente de cobre/níquel, se emplean especialmente para plastisoles de PVC. En estos moldes la reproducción de detalles es muy precisa y suelen emplearse para artículos flexibles en los que no deben aparecer líneas de partición (como cabezas de muñecas). Estos moldes resultan relativamente baratos, sin embargo, tienen una duración corta. Los moldes fabricados a partir de planchas de metal son generalmente los más económicos y se emplean para productos muy grandes, que no requieran texturas especiales o reproducción de detalles muy precisa. En cuanto al diseño de piezas en moldeo rotacional, se dice que este proceso es el sueño hecho realidad de cualquier diseñador por la libertad de la que goza para diseñar las piezas. Aún así existen una serie de restricciones. Mediante rotomoldeo se pueden producir artículos huecos de doble pared, como por ejemplo cascos de embarcaciones. En muchos casos este tipo de estructuras se pueden rellenar con un material espumado para mejorar la resistencia o el aislamiento. Existe una serie de limitaciones en estas piezas como que el hueco de la cavidad debe tener un volumen al menos 3 veces mayor que el volumen de las paredes de la pieza, y la distancia entre las paredes debe ser al menos de 5 veces el espesor de la pared [4]. Se suelen emplear nervios de refuerzo para dar rigidez a piezas que contienen grandes superficies planas con un espesor pequeño. También se puede construir canales para dar rigidez. En cuanto a los ángulos, en general en ángulos agudos se acumulan más tensiones que en ángulos suaves. Diseñando piezas con ángulos amplios se puede conseguir la resistencia adecuada, donde el material se reparte de forma correcta. En el caso de ángulos agudos hacia afuera tiende a acumularse una cantidad extra de material, mientras que los que se proyectan hacia adentro tendrán escasez de material. CAPÍTULO II II-20 Otra ventaja que presentan las piezas y los moldes en rotomoldeo es que el espesor de la pared se puede modificar simplemente variando la cantidad de material que se introduce en el molde, a diferencia de lo que ocurre en otros procesos de transformación donde sería necesario rectificar el molde. 2.3. ETAPAS DEL PROCESO DE ROTOMOLDEO Si se determina la temperatura en varios puntos del molde durante un ciclo de rotomoldeo se obtienen curvas como las que se muestran en la figura 2.8. Figura 2.8. Evolución de la temperatura del aire que rodea al molde (curva H), del molde (curva X) y del aire del interior del molde (curva Y) durante el proceso de moldeo rotacional y etapas que se observan durante el ciclo. [2] [5] La curva H muestra la temperatura del ambiente que rodea al molde, que como se puede observar tiende a alcanzar la temperatura nominal del horno tan pronto como el molde se introduce en su interior. La temperatura del molde y del aire del interior del mismo vienen representadas por las curvas X e Y. La temperatura del aire del interior del molde (curva Y) da información muy valiosa sobre los procesos que tienen lugar mientras el plástico se encuentra en el molde. Se puede observar 6 etapas claramente diferenciadas en la curva Y. Durante la primera etapa, el material en polvo se encuentra tambaleándose en la base del molde mientras éste gira. Esta etapa se conoce con el nombre de inducción. FUNDAMENTOS DEL ROTOMOLDEO Y ESTADO DEL ARTE II-21 Cuando el molde alcanza una cierta temperatura a la que el polvo comienza a fundir, el polvo comienza a adherirse a la superficie del interior del molde. En esta etapa diferentes capas de polvo quedan adheridas en la superficie interior del molde y van absorbiendo calor para fundir, por lo que la temperatura del material aumenta lentamente, lo que se conoce como etapa de sinterización. Una vez que todo el material se ha adherido al molde, la temperatura aumentará a mayor velocidad, dependiendo de la capacidad calorífica del fundido. Esta es la etapa de densificación durante la que se consolida el fundido. A continuación tiene lugar la etapa de enfriamiento inicial a una velocidad que lógicamente estará determinada por el sistema de enfriamiento empleado. Cuando el material fundido comienza a cristalizar se observa una nueva meseta, que en este caso es debida al desprendimiento de calor durante la cristalización del material (etapa de cristalización). Por último se observa la etapa de enfriamiento final que se mantendrá hasta que la pieza tenga suficiente consistencia para poder ser extraída del molde sin deformarse. A continuación se describe con mayor detalle todo lo acaecido en cada una de las etapas. [5] 2.3.1. Etapa de inducción En la primera etapa el molde con el material en su interior se introduce en un horno de aire forzado que calienta su superficie. En principio el molde y el material están fríos, y el polvo se encuentra sobre la base del molde, de modo que conforme se produce la rotación del molde el polvo sufre un movimiento característico, debido a la rotación del molde y a la acción de la gravedad, como se puede observar en la figura 2.9 donde se representa lo que ocurriría en un molde oval que gira en torno a dos ejes. Figura 2.9. Movimiento del polvo en el interior del molde durante la etapa de sinterización. [2] CAPÍTULO II II-22 Cuando comienza el movimiento del molde, el polvo que se encuentra cerca de las paredes del molde gira con éste a su misma velocidad. La capa de polvo en contacto con el molde irá ascendiendo arrastrado por la pared y caerá a la zona central cuando la fuerza de gravedad supere el rozamiento con la pared y entre las partículas. Durante la caída, las partículas de polvo que se encontraban cerca de la pared del molde (más caliente) se mezclan con las demás, que forman lo que llamaremos la balsa de polvo, de modo que la temperatura de las mismas se homogeneiza, y una capa renovada de polvo quedará en contacto con el molde. Mientras tanto el aire del interior del molde estará en contacto directo con la parte del molde que queda al descubierto y con la balsa de polvo. 2.3.2. Etapa de sinterización Llegado al punto A de la figura 2.8 algunas de las partículas más pequeñas inician la fusión, su superficie externa se hace pegajosa y se adhieren a la superficie del molde. Este punto marca el final de la etapa de inducción y el comienzo de la etapa de sinterización. Conforme el molde gira diferentes capas de material se van adhiriendo unas sobre otras y de esta forma es como se produce el reparto del material sobre el molde. Cuando todo el polvo ha desaparecido finaliza esta etapa, en el punto B de la curva correspondiente a la temperatura del aire del interior del molde (figura 2.8).Por tanto, durante el periodo comprendido entre A y B coexisten polímero en polvo y fundido. Cuando las partículas de un polímero, y en general de cualquier material sólido se ponen en contacto a elevadas temperaturas tienden a disminuir su superficie total por coalescencia. Este proceso es conocido como sinterización. Durante la sinterización se desarrollan, en primer lugar interfases entre partículas adyacentes, que van creciendo para formar puentes entre partículas. La disminución en el área superficial de las partículas implica la disminución de la energía superficial, por tanto, la tensión superficial es la fuerza impulsora en este proceso. En la figura 2.10 se muestra la evolución de la interfase de partículas adyacentes durante esta etapa. Figura 2.10. Evolución de la interfase entre partículas adyacentes durante la etapa de sinterización. [6] FUNDAMENTOS DEL ROTOMOLDEO Y ESTADO DEL ARTE II-23 De este modo durante el proceso de sinterización se produce un aumento de la densidad aparente del material, que pasa de la densidad aparente del polvo con valores próximos a 0,4 g/cm3, a un valor de la densidad cercano a la densidad del fundido (algo menor que la densidad del material sólido). Este hecho se debe tener en cuenta desde el punto de vista de la simulación, como se comentará mas adelante. Los mecanismos que controlan el proceso de sinterización son básicamente la difusión y el flujo viscoso. En el caso de las moléculas de polímero la energía de activación para la difusión es muy alta, por lo que el proceso estará controlado principalmente por el flujo viscoso y, por tanto, por la temperatura. Frenkel obtuvo la siguiente expresión para la velocidad de coalescencia debida al flujo viscoso: donde y y a son el radio del cuello y de las partículas, como se muestra en la figura 2.11, y Γ son la tensión superficial y µ la viscosidad del polímero y t el tiempo. Figura 2.11. Evolución del radio del cuello entre partículas durante el proceso de sinterización. [2] El modelo de Frenkel es sólo aplicable a partículas redondas del mismo tamaño, además está limitado a materiales newtonianos, si bien es útil como primera aproximación. La mayoría de los polímeros en moldeo rotacional se comportan como Newtonianos, puesto que las velocidades de cizalla implicadas son extremadamente bajas (del orden de 10 -4 s -1 ). Este modelo ha sido extendido por algunos autores para considerar la respuesta viscoelástica de algunos materiales. Sin embargo, dado que la velocidad a la que transcurre el proceso es relativamente lenta y que el tiempo de relajación de los polímeros empleados habitualmente en moldeo rotacional es relativamente alto, se pueden despreciar, en una primera aproximación, efectos viscoelásticos. A partir del modelo de Frenkel se puede establecer qué características del polímero influyen sobre el proceso de sinterización, y por tanto qué polímeros pueden ser aptos para moldeo rotacional. Según este modelo: CAPÍTULO II II-24 • La velocidad de sinterización está favorecida cuanto menor sea la viscosidad del polímero; por tanto el peso molecular de los polímeros no debe ser muy elevado (aunque tampoco demasiado bajo porque esto irá en detrimento de las propiedades mecánicas del material) • Por otra parte, cuanto menor sea la curvatura de las partículas (mayor radio) se favorece el proceso. Lógicamente también hay un límite para las partículas demasiado grandes que tardan más en fundir y se moverán peor por el molde • Cuanto mayor sea la tensión superficial más favorecido se verá el proceso, por lo que la presencia de ciertos aditivos y de agentes desmoldeantes no es conveniente 2.3.3. Etapa de densificación En el punto B de la figura 2.8 todo el material recién sinterizado se encuentra formando una especie de película fundida que recubre el molde. En el interior del material quedan atrapadas burbujas de aire, consecuencia natural del proceso de sinterización. Durante la etapa de densificación la pieza se mantiene en el horno mientras las burbujas son eliminadas del fundido, hasta obtener un fundido homogéneo. Durante mucho tiempo se ha pensado que las burbujas desparecían por migración hacia la superficie del plástico en contacto con el aire del interior del molde. Sin embargo, esta teoría puede ser fácilmente descartada si se realiza un balance de fuerzas sobre una burbuja inmersa en un plástico fundido, como la que se muestra en la figura 2.12: Figura 2.12. Balance de fuerzas sobre una burbuja de aire inmersa en plástico fundido. [2] se obtiene empuje = peso de la burbuja + resistencia del fundido FUNDAMENTOS DEL ROTOMOLDEO Y ESTADO DEL ARTE II-25 donde r es el radio de la burbuja, ρ p y ρ b son la densidad del polímero y de la burbuja, η 0 es la viscosidad del polímero a cizalla cero, u la velocidad a la que se mueve la burbuja y g la gravedad. Para un diámetro de burbuja de 2,5·10 -4 m, tomando como densidad del aire y del polímeros fundido 1 y 950 kg/m 3 , respectivamente, y la viscosidad del polímero fundido de 1.104 Pa·s, se puede comprobar que el empuje es despreciable dada la alta viscosidad de los polímeros fundidos (se obtiene que la velocidad a la que se mueve la burbuja es de 0.05 mm/h). [2] Actualmente se acepta que las burbujas desaparecen debido a la disolución de las mismas en el fundido. Cuando la temperatura aumenta el oxígeno comienza a disolverse en el polímero (el oxígeno tiene una solubilidad, por ejemplo, en el polietileno de dos veces la del nitrógeno). A temperaturas más altas, además, el oxígeno es reducido por las reacciones de oxidación que tendrán lugar con el polímero. Conforme desaparece el oxígeno la presión parcial del nitrógeno en la burbuja aumenta, con lo que se facilita el proceso de disolución de éste, lo que a su vez provocará un aumento de la presión parcial del oxígeno. Esta cadena de situaciones se repite hasta que la burbuja desaparece. Cuanto más alta sea la temperatura máxima alcanzada por el fundido, menor será el contenido en burbujas y poros, y por tanto mejorarán las propiedades mecánicas de la pieza, como se puede observar en la figura 2.13, donde se pueden ver los resultados de la energía de impacto para piezas de polietileno rotomoldeadas hasta diferentes temperaturas. La energía de impacto aumenta hasta que la temperatura alcanzada por la pieza es demasiado elevada y en consecuencia se ha iniciado la descomposición del material. La descomposición de material, en contra de lo que se podría pensar, se inicia en la cara interior de las piezas donde, aunque la temperatura máxima alcanzada no será tan elevada como en la cara en contacto con el molde, existe aire en contacto con la pieza, produciéndose reacciones de oxidación. CAPÍTULO II II-32 Por otra parte, la calefacción mediante microondas parece muy prometedora, pero todavía se encuentra en fase de desarrollo: los ciclos pueden reducirse hasta en un 70%, si bien presenta el inconveniente de que, en principio, sólo se puede emplear con materiales polares y que los moldes deben estar fabricados con materiales transparentes a los microondas (apolares), como el teflón o el vidrio, que son materiales de baja resistencia. Las investigaciones que se están realizando van encaminadas hacia estudios en el tipo de materiales para moldes. 2.5.2. Presurización de moldes La presurización de moldes todavía no ha sido implantada en la industria de forma generalizada, pero es la innovación que por el momento parece más prometedora. Se trata de introducir una ligera presión por el conducto de venteo del molde. La presión debe introducirse una vez que el polímero se encuentra completamente fundido y mantenerse tan sólo en el intervalo de temperaturas en que se mantiene fundido. Una vez que las burbujas se han producido en el fundido la presión actúa como una fuerza impulsora que provoca que las burbujas de gas se difundan a través del polímero hacia el exterior, como se muestra en la figura 2.16. Figura 2.16. Efecto de la introducción de sobrepresión en el interior del molde durante las etapas de densificación y enfriamiento inicial. [6] Dependiendo de la presión aplicada, el proceso de eliminación de burbujas puede requerir tan sólo unos segundos. En general, las presiones necesarias dependen de la viscosidad del polímero al comienzo de la presurización. Para la mayoría de los materiales una sobrepresión de 0,5 bares es suficiente para eliminar completamente las burbujas, y en muchos casos es suficiente con sólo 0,2 ó 0,3 bares. La principal ventaja de presurizar los moldes es la mejora en la calidad de los productos debido a la eliminación de las burbujas y los poros, lo que a su vez implica la mejora de propiedades mecánicas. La presurización proporciona además otras mejoras, FUNDAMENTOS DEL ROTOMOLDEO Y ESTADO DEL ARTE II-33 como son una reducción de ciclos de horno (figura 2.17) puesto que las burbujas se eliminan rápidamente, y una mejora en las deformaciones y alabeos al obtenerse velocidades de enfriamiento más uniformes durante la primera etapa de enfriamiento. Figura 2.17. Evolución del a temperatura del aire del interior del molde para un ciclo convencional y un ciclo con presurización. [2] El empleo de presión, sin embargo, tiene ciertas limitaciones y puede resultar extremadamente peligroso si no se toman las precauciones oportunas. Para soportar las importantes fuerzas implicadas en el proceso de presurización se deben emplear moldes suficientemente resistentes (se debe tener en cuenta que aunque las sobrepresiones empleadas son relativamente pequeñas la superficie de los moldes típicos es muy grande, con lo que las fuerzas de apertura desarrolladas también lo serán). No es recomendable emplear presión en moldes no preparados para ello, pues incluso el empleo de una presión moderada puede causar la distorsión y hasta la rotura de los moldes. Los moldes deben estar especialmente fabricados para el empleo de presión, no deben tener superficies planas muy grandes o estas superficies deben tener estructuras de refuerzo, deben tener acabados superficiales muy buenos y líneas de partición muy bien definidas y por último deben incorporar una válvula de seguridad. 2.5.3. Últimas investigaciones y desarrollos Las últimas investigaciones realizadas en el ámbito del moldeo rotacional y expuestas a la comunidad científica, pues la mayoría de los fabricantes guardan con recelo sus diferentes avances, pueden encasillarse fundamentalmente en la mejora de los CAPÍTULO II II-34 procesos de transferencia térmica tanto en las fases de calentamiento como en las de enfriamiento. Respecto a las fases de enfriamiento, existen investigaciones como las realizadas por Abdullah, Bickerton y Bhattacharyya [7] próximas al año 2007, donde la incorporación de pines en el exterior del molde permite una mejora sustancial de la transferencia térmica entre los flujos de aire y el molde. Sus resultados, basados en el uso de tecnologías CFD, muestran reducciones del 21%, 32% y 38% en el tiempo de ciclo requerido en función del tipo de rugosidad exterior generada en el molde. A pesar de estas mejoras, el mecanizado de la rugosidad exteriores, fundamentalmente mediante la incorporación de pines supone un handicap desde el punto de vista del encarecimiento del molde y de los tiempos de fabricación requeridos, aunque la mejora del proceso queda justificada. Otros análisis resultan de interés, como los realizados por Callan et al. [8], analizando diferentes procesos de enfriamiento y los efectos que producen sobre la microestructura y propiedades mecánicas de las piezas generadas. Queda de manifiesto las posibilidades en cuanto mejoras en las etapas de enfriamiento, aunque siempre condicionadas a las prestaciones de las piezas generadas. Estos estudios disponen de una gran utilidad subyacente, pues la reducción del tiempo de enfriamiento requerida en función de las propiedades obtenidas, o que se deseen obtener, reducirán los tiempos de ciclo globales del proceso, produciendo una mejora en la eficiencia global del proceso nada despreciable. Los procesos de calentamiento, como parte principal del proceso de rotomoldeo, dispone de mayores líneas de desarrollo, como los estudios de calentamiento mediante elementos eléctricos realizados por Kearns y Crawford [9] en 2003. En dichos análisis, se obtuvieron importantes avances en la reducción del consumo energético, obteniéndose eficiencias térmicas entre el 20% y 25%, en comparación con el 1% alcanzado en los procesos de calentamiento mediante hornos. Sin embargo, el uso de resistencias eléctricas en los moldes debe ser optimizado, pues producen tiempos de ciclo muy elevados, en detrimento de la competitividad de dicha tecnología. La incorporación de aceite como fluido térmico a través de canales externos ha sido estudiada desde hace años por varios investigadores, con resultados esperanzadores. Jared Sunday [11], ideó en el año 2000 un molde básico con canales exteriores de 3/8” de diámetro por los que circularía el aceite térmico. Además, su diseño contenía un sistema de depósitos de aceite a diferentes temperaturas, para la recirculación del aceite a través del FUNDAMENTOS DEL ROTOMOLDEO Y ESTADO DEL ARTE II-35 molde y el aprovechamiento de la temperatura residual del aceite, minimizando las necesidades energéticas a cambio de un complejo proceso de operación de la máquina. En 2003 Wright y Crawford [10] desarrollaron una máquina experimental de calentamiento mediante aceite térmico, a través de pequeños conductos metálicos mecanizados externamente sobre el molde. Este procedimiento demostró las amplias posibilidades de reducción de tiempo de ciclo y de energía posibles con el calentamiento y enfriamiento mediante aceite térmico, aunque condicionado a un conveniente aislamiento térmico del molde desarrollado, en comparación con los hornos convencionales. Las últimos adelantos que han servido de base para el desarrollo de este trabajo de investigación han sido realizados por el Laboratorio de Fabricación Integrada de la Universidad de las Palmas de Gran Canaria [12], donde la incorporación de las tecnologías de electroconformado permiten la creación de nuevos moldes de rotomoldeo sobre los cuales pueden introducirse fluidos térmicos de forma envolvente a la pieza a conformar. El molde prototipo EDOH (electroforming direct oil heating) desarrollado por este grupo de investigación fue diseñado y fabricado experimentalmente, validándose los procesos de diseño utilizados (CFD), confirmando la posibilidad de la creación de moldes mediante electroconformado y estableciendo líneas futuras de investigación, que con el desarrollo de este trabajo de investigación se han convertido actualmente en una auténtica realidad. Capítulo III DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-39 3. DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO 3.1. INTRODUCCIÓN El proceso de rotomoldeo se encuentra caracterizado por diversos procesos físicos entrelazados entre sí, convirtiéndolo en un hecho complejo y de difícil análisis. Por un lado, se encuentran los procesos mecánicos que generan los movimientos imprescindibles para el desarrollo de piezas. Por otra parte y de vital importancia se identifican los procesos de transferencia térmica precursores de los cambios de estado del material polimérico (sólidolíquido-sólido). Dichos procesos térmicos que tienen lugar entre los diferentes elementos y materiales son los de convección y conducción, además de los efectos de la gravedad, viscosidad, etc. Por tanto, existe una gran complejidad en el estudio que se plantea no sólo por los diferentes materiales involucrados sino por los procesos de cambios de estado que no se producen en un valor concreto de temperatura sino en un intervalo de ésta, con variación de la viscosidad, conductividad térmica, etc. Todos estos procesos se suceden prácticamente de forma simultánea, por lo que el desarrollo de nuevos moldes y procesos de fabricación mediante rotomoldeo requiere de un complejo y amplio estudio que en ocasiones solo es posible realizar mediante herramientas informáticas. Hoy en día se dispone de estas herramientas informáticas que permiten caracterizar y modelar todos o gran parte de los procesos de fabricación, incluyendo movimientos mecánicos, transferencia de calor o comportamiento de fluidos. Una de ellas se engloba en las tecnologías de la Dinámica de Fluidos Computacional, incorporadas en herramientas CAD, que permiten simular los procesos físicos, en este caso, del rotomoldeo. 3.2. TECNOLOGÍAS DE DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL La dinámica de fluidos computacional (CFD) es una rama de la mecánica de fluidos que utiliza métodos numéricos y algoritmos para resolver y analizar problemas que involucran flujos de fluidos. Las computadoras realizan los cálculos necesarios para simular la interacción de sólidos, líquidos y gases bajo las condiciones establecidas. [1] CAPÍTULO III III-40 La base fundamental de los problemas de CFD son las ecuaciones de NavierStokes, que definen el flujo de gas o líquido de una sola fase. Estas son un conjunto de ecuaciones que definen el comportamiento dinámico de un fluido. Derivan de aplicar los principios de conservación de la mecánica y de la termodinámica al fluido, de donde se obtiene una formulación integral que generalmente se suele transformar en una formulación diferencial más práctica. [2] En el lado izquierdo de la ecuación se dispone el movimiento (variación del desplazamiento en el tiempo), y en el derecho los siguientes términos: - F: Fuerzas aplicadas al fluido. - p: presión en el fluido - ρ: densidad del fluido. - v: viscosidad del fluido. - u: desplazamiento 3.2.1. El proceso de la dinámica de fluidos computacional La aproximación de una variable continua en un número finito de puntos se llama discretización, como se puede observar en la figura 3.1. Figura 3.1: Discretización de variables. Los elementos principales en la dinámica de fluidos computacional (CFD) son: 1. Discretización del flujo continuo, es decir, las variables de campo (ρ, u, v, w, p) se aproximan por un número finito de valores en puntos llamados nodos. Variable continua Aproximación discreta DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-41 2. Las ecuaciones de movimiento también se discretizan, es decir, aproximadas en función de los valores en los nodos 3. El sistema de ecuaciones algebraicas se resuelve y se obtienen los valores de las variables en todos los nodos. 3.2.2. Etapas en un análisis de CDF Un análisis completo de dinámica de fluidos computacional consta de las siguientes tapas [3]: • Cálculos previos o Formular el problema y plantear las ecuaciones que lo gobiernan o Establecer las condiciones de contorno o La generación de una malla de volúmenes finitos Todo esto depende del análisis que se desee realizar (fuerzas, flujos, distribución de concentraciones, transferencia de calor,...) y de la capacidad computacional. • Solución de las ecuaciones Esta es la etapa principal del CFD. En ella tiene lugar la solución numérica de las ecuaciones que gobiernan el problema. • Análisis de los resultados Los resultados obtenidos de la solución de las ecuaciones se corresponden con el valor de las variables de campo (ρ, u, v, w, p,...) en cada punto de la malla. Esta enorme cantidad de números deben reducirse a los fundamentales para poder manejarse con facilidad y obtener lo que se pretendía el cálculo. Una parte importante de esta etapa es la representación gráfica de las variables que gobiernan el flujo, para tener una visión rápida y amena de los resultados obtenidos. CAPÍTULO III III-48 variables fluidas tienen que ser especificados a través de lo que se conoce como condiciones de contorno (ver figura 3.3). En general, las condiciones de contorno se pueden clasificar en: Condiciones de contorno de flujo libre: pueden ser de entrada, de salida o entrada/salida. Las condiciones de contorno de entrada de flujo se especifican mediante las condiciones en el infinito (ρ∞, µ∞, u∞, v∞, w∞, p∞, T∞). [5] Condiciones de contorno de pared: modelan el comportamiento del flujo en las proximidades de la superficie. Se puede imponer una condición de contorno de no deslizamiento (velocidad nula en el punto de contacto, u = 0), o de tangencia (velocidad normal a la superficie igual a cero). 3.3. HERRAMIENTAS INFORMÁTICAS Las aplicaciones informáticas, como las desarrolladas en el apartado anterior, concentran las principales etapas del desarrollo de nuevos modelos y procesos en la industria de la fabricación de componentes plásticos. En el presente documento se pretende mostrar los principales aspectos de la optimización y desarrollo del proceso de rotomoldeo, teniendo como base fundamental el uso de la dinámica de fluidos computacional. Esta tecnología se ha utilizado mediante el uso específico del software comercial EFD.LAB 8.1 de los desarrolladores NIKA GMBH. Este software integra como herramienta de modelado CAD la potente aplicación SolidWorks de Dassault Systèmes que permite el desarrollo de las geometrías reales de los modelos a simular. Todos los procesos informáticos se han desarrollado en varias unidades de procesamiento, principalmente en ordenadores con procesadores Intel Pentium M a 1,60 GHz y superiores, memorias RAM superiores a los 512 MB y sistemas operativos Windows XP. DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-49 3.4. METODOLOGÍA DE DESARROLLO El proceso de desarrollo y optimización de los moldes y procesos de rotomoldeo, basados en las tecnologías de CFD, disponen de una metodología concreta como se muestra a continuación: 1. Inicialmente se establecen los últimos modelos desarrollados por la industria del rotomoldeo, estudiando sus características técnicas, concretamente de los procesos de calentamiento por aceite, los cuales permiten un ahorro energético muy considerable respecto a los de calentamiento por aire. 2. Dichos modelos se caracterizan y se modelan informáticamente, estableciendo las mismas condiciones reales, permitiendo generar el proceso de forma virtual y obtener los parámetros necesarios del proceso. 3. Caracterizado virtualmente el proceso de calentamiento convencional por aceite, se desarrolla un nuevo modelo de calentamiento optimizado, que permita obtener mayores prestaciones. Mediante su modelado virtual y simulación es posible la obtención de los parámetros del proceso del nuevo modelo. 4. Tras la obtención de resultados de los diferentes modelos, se inicia el proceso de análisis comparativo, estableciendo las ventajas e inconvenientes de los modelos comparados, permitiendo conocer los elementos que permiten un avance en la técnica del rotomoldeo. 5. A través de los resultados obtenidos y el análisis comparativo, a modo de retroalimentación, se desarrollan nuevos modelos virtuales con nuevas mejoras y configuraciones, que tras su posterior simulación permitirán obtener nuevos resultados y comparativas respecto a los modelos convencionales hasta alcanzar los resultados deseados. 6. Tras la obtención de modelos óptimos para el rotomoldeo se establecen los elementos anexos necesarios para su fabricación y acople real en una máquina de rotomoldeo, permitiendo obtener un molde optimizado de aplicación real. Este resumen de fases de desarrollo de un nuevo molde de rotomoldeo puede esquematizarse según el siguiente diagrama: CAPÍTULO III III-50 Figura 3.3: Diagrama retroalimentado de metodología de diseño y cálculo. Estudio de moldes convencionales Modelado de molde convencional Simulación mediante CFD Obtención de resultados Diseño de nuevo molde de rotomoldeo Modelado de nuevo molde de rotomoldeo Simulación mediante CFD Obtención de resultados Análisis comparativo entre modelos Desarrollo definitivo de molde de rotomoldeo v v x Fase inicial Fase intermedia Fase final DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-51 3.5. PARÁMETROS Y CARACTERÍSTICAS DE MOLDES Y PROCESOS DE ROTOMOLDEO CONVENCIONALES 3.5.1. Parámetros principales del proceso de rotomoldeo Todos los procesos de rotomoldeo pueden caracterizarse a partir de un conjunto de parámetros, de los cuales se presentan los de mayor relevancia: • Temperatura de calentamiento: identifica la temperatura, en valores generalmente medios, del fluido térmico, ya sea aire o aceite, que transfiere la energía térmica al molde, y consecuentemente, al material plástico final. • Temperatura de aire en el interior del molde: Corresponde a la temperatura que alcanza el aire del interior del molde, siendo uno de los principales parámetros que identifican el proceso, permitiendo su regulación y control. • Temperatura de molde: También resulta de interés el conocimiento de la temperatura del molde, el cual mediante conducción transmite la energía térmica al material plástico. • Temperatura de enfriamiento: Adquiere importancia en las etapas finales de los procesos de rotomoldeo, permitiendo un control en los procesos de enfriamiento. • Caudal de flujo forzado: Caracteriza el proceso de transferencia térmica, siendo una variable de gran importancia y de control del proceso, ya sea del flujo de aire o aceite térmico. • Uniformidad térmica: Este parámetro, que puede establecerse de diferentes formas, permite valorar las diferencias de temperaturas de diferentes partes del molde caracterizando la homogeneidad de los procesos de transferencia térmica. • Tiempo de ciclo: Identifica la duración del proceso de fabricación de una o varias piezas, así como la temporización de las diferentes etapas del proceso, y permite la valoración de gastos energéticos asociados al proceso. • Consumo energético: aporta los datos energéticos de gasto y consumo, principalmente de los elementos electromecánicos y las materias primas necesarias para la producción de alta temperatura. CAPÍTULO III III-52 Si bien existe una gran variedad de parámetros relativos a las condiciones del flujo, parámetros térmicos, propiedades del material polimérico en sus diferentes fases de estado, calidades y prestaciones de las piezas generadas, entre otros, nuestro estudio se centra en las condiciones principales de calentamiento - enfriamiento, reducción de ciclo, uniformidad térmica y eficiencia energética, desplazando a un segundo plano, o a futuras líneas de investigación, el estudio del resto de parámetros que permitirían caracterizar por completo el complejo proceso de rotomoldeo. 3.5.2. Parámetros principales de moldes de rotomoldeo Los moldes de rotomoldeo a su vez disponen de una serie de parámetros que los caracterizan: • Espesor: Se trata de una de los principales condicionantes del molde. El espesor condiciona la transferencia térmica del proceso, además de la rigidez y resistencia mecánica del molde. • Dimensiones exteriores: Otro aspecto fundamental para todo el ciclo de proceso son las dimensiones principales del molde, las cuales generan una superficie y un volumen interior de aire que altera por completo la velocidad de calentamiento - enfriamiento y el tiempo de ciclo. • Canales de flujo: En los moldes de calentamiento por aceite el volumen de aceite circulante exterior es un parámetro de relevancia, unido con la velocidad de circulación del fluido y la rugosidad de los canales. • Material: Desde el punto de vista térmico adquiere vital importancia la elección del material del molde. Su calor específico o la conductividad térmica influyen significativamente en el proceso de rotomoldeo. Si bien el aluminio es el principal material utilizado en la fabricación de moldes, las nuevas tecnologías de fabricación incorporan al rotomoldeo moldes de materiales no convencionales que aún no disponiendo de las mismas capacidades de transmisión de calor del aluminio, permiten otras mejoras importantes. 3.5.3. Moldes de calentamiento por convección mediante circulación forzada de aire en hornos La mayoría de los procesos de rotomoldeo actuales se basan en la convección para el calentamiento y enfriamiento de los moldes de moldeo rotacional. Así pues, los hornos DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-53 son los elementos calefactores más generalizados, que mediante quemadores de gas natural o fuel-oil permiten obtener elevadas temperaturas. La circulación de grandes cantidades de aire a través de dichos elementos de calentamiento producen un proceso convectivo apropiado en el interior del molde. [6] Figura 3.4: Horno de rotomoldeo de calentamiento por aire. Reduction Engineering, Inc. Debido a que se trata de un proceso de convección, dichos moldes deben estar totalmente expuestos al aire forzado de calentamiento y/o enfriamiento del horno, por lo que deben ser mecánicamente estables y resistentes para su sustentación y movimiento interno en el horno. Dichos moldes disponen, en función de sus medidas exteriores, de espesores comprendidos entre 5 y 15 mm en los mejores casos, siendo superiores en ocasiones incluso a los 50 mm. Figura 3.5: Molde de moldeo rotacional fabricado en aluminio. Versaplast. CAPÍTULO III III-54 Estos hornos se caracterizan por poseer unas dimensiones elevadas, al diseñarse para la fabricación de piezas dentro de un rango de medidas determinadas, de forma que los hornos, de forma aproximadamente cúbica, pueden disponer desde 1 m de lado hasta dimensiones superiores a 7 m en máquinas de gran volumen. [7] Por tanto, se requiere de grandes elementos de calentamiento y de generación de flujos forzados de aire que permitan mantener temperaturas en el interior del horno desde 200 hasta 450 ºC, supliendo además las elevadas pérdidas térmicas que se producen tanto por los inevitables huecos del horno como por los procesos conductivos de las paredes del horno, conducciones, brazos de soporte de moldes, utillajes, etc. Los modelos de máquinas de carrusel de pequeño tamaño, para la fabricación de piezas de hasta 1,5 m 3 , pueden requerir aportes caloríficos entre 200.000 y 2.257.000 kJ/h, consumos de gas propano licuado de entre 50 y 90 l/h, entre 30 y 60 m3/h de gas natural o de 25 a 50 l/h de fuel oil, para temperaturas de horno entre 250 ºC y 450ºC. A todo este elevado consumo energético debe añadirse flujos de aire de hasta 400 m 3 /min., aportados mediante grandes soplantes de potencia superiores a 7 kW, que unidas al resto de unidades motoras y elementos accesorios producen consumos entre 30 y 60 A para tensiones de 400 V. [7] Estos datos permiten justificar las necesidades de desarrollo de nuevos procesos de rotomoldeo más eficientes que reduzcan drásticamente los costes energéticos y medioambientales de dichos procesos, mejorando la productividad y competitividad con otros procesos de fabricación más eficientes. 3.5.4. Moldes de calentamiento por conducción mediante aceite térmico en circulación forzada Los procesos de calentamientos mediante hornos son los más tradicionales y generalizados y los avances en moldeo rotacional se han centrando en la automatización de estos procesos y en la mejora de las prestaciones de las piezas generadas. Sin embargo, y aunque muy reducidas, también existen líneas de desarrollo, promovidas generalmente por fabricantes de maquinaria del rotomoldeo, que han optimizado el proceso sobre todo desde el punto de vista energético mediante el uso del aceite como fluido térmico. Actualmente se encuentran desarrollados procesos de rotomoldeo de calentamiento y enfriamiento por aceite, generalmente aceites térmicos sintéticos, que si bien requieren DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-55 procesos de calentamiento del propio aceite similares a los hornos, tales como quemadores de gas o fuel-oil, permiten aumentar en gran medida la eficiencia energética de los procesos de rotomoldeo. Los moldes actualmente existentes de calentamiento por aceite, a partir de ahora moldes convencionales de aceite, disponen de ciertas similitudes respecto a los procesos de calentamiento por horno: los moldes mantienen el aluminio como principal material constitutivo, alcanzan espesores similares entre y las temperaturas, en función del material plástico a conformar, se sitúan en valores también similares. Sin embargo el proceso de transferencia térmica, igualmente de naturaleza convectiva, es llevado a cabo por aceite térmico, recorriendo el molde por canales o pequeñas tuberías exteriores adosadas al mismo. Esto permite desarrollar una transferencia térmica muy superior entre el aceite y el metal, respecto al calentamiento mediante aire forzado en horno. Estos procesos requieren de elementos que produzcan el calentamiento y enfriamiento del aceite, su circulación forzada, movimientos de rotación del molde, y otros procesos que de manera análoga se requerían en los procesos de convección por aire en hornos. Sin embargo la eficiencia energética del proceso se encuentra mejorada, en comparación con los procesos de calentamiento por aire en hornos, donde sólo el 1% de la energía suministrada alcanza al polímero. [8] Figura 3.6: Molde de rotomoldeo de calentamiento por canales exteriores de aceite. Cortesía de Rototech. CAPÍTULO III III-56 A pesar de las grandes mejoras que aportan estos procesos de calentamiento por aceite, determinados parámetros del proceso son inferiores a los obtenidos en hornos, como puede ser la uniformidad del calentamiento en el molde. Debido a que los hornos producen un calor envolvente al horno, la homogeneidad del calentamiento es superior que la generada mediante canales de aceite, siendo dicho factor un objetivo a conseguir en los nuevos desarrollos de moldes 3.5.5. Ventajas e inconveniente de los procesos de rotomoldeo mediante convección forzada por aire y por aceite térmico Los procesos descritos en los apartados anteriores disponen de importantes diferencias en cuanto a la transferencia térmica, sin embargo, ambos procesos tienen importantes condicionantes, así como ventajas e inconvenientes, siendo conveniente la aclaración para un mayor entendimiento de ambos procesos: Convección por aire en hornos Ventajas Inconvenientes  No requiere de un fluido especial, con lo que no hay costes por dicho elemento.  Sistema más limpio y fiable en cuanto al fluido térmico.  La uniformidad del calentamiento en las diferentes caras del molde es muy elevada.  Requiere un utillaje simple y de fácil manipulación.  Consumo energético muy elevado, dada la ineficiencia del proceso, sobre todo por pérdidas térmicas.  Los moldes deben ser resistentes, con espesores generalmente superiores a los 5 mm.  Los moldes deben ser mecanizados mediante técnicas convencionales.  Existen limitaciones para rotomoldear piezas complejas. DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-57 Convección por aceite térmico en canales Ventajas Inconvenientes  Menor tiempo de ciclos a igualdad de condiciones de flujo, temperatura y geometrías del molde.  Consumo energético muy inferior a los procesos de calentamiento por aire.  Debido a su buena eficiencia térmica pueden reducirse las temperaturas del proceso.  Posibilidad de fabricación de piezas complejas.  La manipulación de aceite requiere de problemáticas juntas rotativas, conexiones y accesorios complejos.  Menor uniformidad al no abarcar los canales toda la superficie del molde.  Los moldes deben ser resistentes, con espesores generalmente superiores a los 5 mm.  Los moldes deben ser mecanizados mediante técnicas convencionales. 3.6. ANÁLISIS DE MOLDE DE ROTOMOLDEO DE ACEITE CONVENCIONAL 3.6.1. Modelado de molde de rotomoldeo convencional de aceite El uso de moldes y procesos de rotomoldeo mediante calentamiento por aire en hornos se encuentra ampliamente extendido por los fabricantes y desarrolladores del sector. La innovación en estos campos parece estancada en la automatización de los procesos, en la mejora de los acabados de las piezas y en la incorporación de nuevos materiales al proceso productivo. Sin embargo, reducidas son las innovaciones realizadas en los propios procesos de calentamiento, como los realizados mediante aceite a través de canales exteriores al molde, los cuales pueden considerarse como los más modernos en cuanto a fluidos térmicos de calentamiento y enfriamiento. A pesar de ello, existen grandes posibilidades de mejora y optimización, siendo éstas tecnologías por aceite la base de partida del presente estudio de investigación. Actualmente son reducidos los investigadores y profesionales involucrados en el desarrollo de los moldes y máquinas de moldeo rotacional por calentamiento mediante aceite, y más aún los fabricantes a nivel industrial de este tipo maquinaria de rotomoldeo, por lo que no se dispone prácticamente de información de estos novedosos procesos. CAPÍTULO III III-64 60 120 180 240 300 0 300 600 900 1200 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Figura 3.12: Distribución de temperaturas del flujo de entrada de aceite durante el ciclo. La temperatura máxima de calentamiento corresponde a 300 ºC, en un ciclo de calentamiento de 15 minutos, para posteriormente producir un enfriamiento continuado a 60ºC durante 5 minutos. • Presión de entrada: Si bien el software recalcula las condiciones de presión según las características del flujo, se establece una condición de presión a la entrada de 1,2 atm, no siendo una condición de contorno fija, sino inicial, posteriormente recalculada en función de la pérdida de carga que en el interior de los canales de circulación del aceite se produzca. En cuanto a las condiciones de superficies de salida: • Zonas de salida de fluido: De forma análoga a las zonas de entrada se disponen de 4 aberturas circulares de 10 mm de diámetro en la cara opuesto del molde, para la salida del fluido. • Presión de salida: Se establece una presión estática de 1 atm. Con el establecimiento de estas condiciones de contorno, el proceso de simulación se encuentra totalmente definido en cuanto a los parámetros físicos que intervienen en el mismo. El análisis computerizado, partiendo de las condiciones establecidas marcadas como estables, permitirá obtener la configuración completa de distribución de temperaturas, DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-65 presiones, flujos hidráulicos, transferencias térmicas, y otros parámetros según en el interior del molde tanto para los elementos sólidos como para los fluidos. 3.6.2.1.5. Establecimiento de objetivos Las posibilidades de resultados u objetivos a obtener en los procesos de simulación son extensos y ampliamente configurables. Los principales resultados que se esperan obtener y que se han determinado en el modelo son los siguientes: • Temperatura media de entrada de aceite. Permite obtener el valor medio de la temperatura de entrada el aceite, establecida como condición de contorno y promediada entre todas las superficies de entrada de flujo. Permite validar y verificar dicha condición. • Temperatura central de aire. Mediante la creación de un punto de medida de temperatura en el centro de la cavidad interior del molde se obtiene la temperatura de dicho punto durante todo el ciclo de proceso. • Temperatura central de cara de entrada. Se establece un punto central, en el interior de la cara del molde donde, se ubica la entrada de fluido. Permite conocer la velocidad de calentamiento de dicha cara del molde. • Temperatura central de cara de salida. Idem. anterior en cara de salida del flujo de aceite. • Temperatura central de cara lateral. Idem. anterior en cara lateral del molde. • Flujo volumétrico de entrada. Corresponde al caudal en las aberturas de entrada. Permite validar y verificar la condición de contorno establecida. • Flujo volumétrico de salida. Idem. anterior en aberturas de salida. Además de los objetivos puntuales establecidos, durante y tras el proceso de simulación es posible obtener la distribución completa o el valor puntual de un parámetro determinado en cualquier parte del molde, desde temperaturas, velocidades, flujos caloríficos, etc. Por tanto, tras el proceso de simulación se extraerán diferentes conjuntos de datos, mediante la selección de superficies, planos de sección, flujos de trayectorias, distribuciones tridimensionales, isosuperficies o puntos de parámetros. Todos estos procedimientos corresponden a la obtención de resultados en la etapa de postproceso de simulación. CAPÍTULO III III-66 3.6.2.1.6. Discretización del modelo Un aspecto relevante en la precisión de cálculo y de los posteriores resultados a obtener es la discretización o mallado del modelo objeto de simulación. Cualquiera de los métodos de cálculo de forma diferencial requiere de una discretización de dominio computacional, con el fin de aplicar el conjunto de ecuaciones, datos y variables a cada parte diferencial del modelo. La principal característica del mallado es el tamaño de los elementos mínimos que dividen el dominio computacional, denominado celda, de forma que a menor tamaño de celda, mayor precisión de cálculo. Sin embargo también se produce un efecto de incremento del coste computacional, influyendo en un aumento en la duración del proceso de cálculo. En todos los procesos de simulación llevados a cabo se ha establecido una discretización básica inicial con celda de forma cúbica, de 11 mm de lado, disponiendo un total de 2.744 celdas. Posteriormente, el software optimiza mediante un refinamiento del mallado en función de la configuración del modelo, disponiendo de un mallado final de 50.344 celdas, lo que supone una discretización con celda cúbica de 4,33 mm de lado. Figura 3.13: Representación del mallado realizado sobre el molde de canales exteriores de aceite. DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-67 3.6.2.1.7. Opciones de control de cálculo El proceso de cálculo puede ser configurado según diferentes parámetros en función del estudio a realizar. Duración y criterio de finalización de cálculo: Se han establecido los parámetros básicos de cálculo, siendo la principal opción de control el tiempo de simulación máximo de 1200 s. Se han desactivado las funciones de finalización de cálculo por criterios de cumplimiento de objetivos al considerarse un proceso de cálculo transitorio durante el intervalo establecido. Almacenamiento de datos: Posteriormente se selecciona la opción de guardado de datos en intervalos de 30 s. Esta opción permite almacenar todos los resultados parciales obtenidos cada 30 s durante todo el proceso de cálculo, permitiendo una vez finalizado las simulaciones, rescatar todos los parámetros del molde en el momento del proceso deseado, siempre en intervalos de igual tamaño que la selección realizada. Tiempo de paso de cálculo: Finalmente debe introducirse el paso de tiempo de cálculo. Este parámetro será considerado como inicial, pues el software recalculará dicho paso computacional a las condiciones de máxima precisión de resultado. Se establece un paso inicial de 1 segundo que posteriormente se autoadaptará a valores inferiores a 0,1 segundos para mayor precisión. 3.6.2.2. Procesos de simulación 3.6.2.2.1. Resolución Definidos todos los parámetros y condiciones del modelo, se procede a la resolución analítica computerizada de los procesos físicos caracterizados. En el proceso de resolución se suceden las etapas de mallado básico, refinamiento de mallado, mallado definitivo, regeneración de volumen sólidos y fluidos, establecimiento de condiciones iniciales, condiciones de contorno, y finalmente, el proceso de cálculo. Dependiendo de la complejidad de los modelos y de las condiciones establecidas, los procesos de cálculo pueden durar desde pocos minutos hasta varias horas. La duración media del procesado computacional ha sido de 22 minutos por simulación. CAPÍTULO III III-68 3.6.2.3. Postproceso de simulación 3.6.2.3.1. Obtención de resultados Una vez finalizado el proceso de cálculo, se obtienen todos los resultados establecidos como objetivos. Dichos resultados son extraídos en formato de hoja de cálculo permitiendo el posterior tratamiento de datos. 3.6.2.3.1.1. Uniformidad térmica No se dispone de ningún parámetro específico que defina de forma global o parcial la uniformidad del proceso de calentamiento de forma que pueda conocerse de forma comparativa el grado de disparidad de calentamiento entre diferentes partes del molde. Es por ello, que a partir de los resultados obtenidos, se define un coeficiente de variación de la uniformidad térmica, para el conjunto de caras del molde objeto de calentamiento. Este coeficiente se ha obtenido seleccionando 25 puntos distribuidos uniformemente en cada cara del molde donde se produzca la transferencia térmica. En este caso, todas las caras son consideradas partes activas del molde, por lo que se obtiene un conjunto de 150 puntos. Se establece un tiempo de almacenamiento de datos de 30 s, durante el proceso de cálculo, de forma que cada intervalo de 30 s se dispondrá de un valor de temperatura de molde en cada uno de los 150 puntos preestablecidos. Para cada instante almacenado de proceso de rotomoldeo simulado, se obtendrá el siguiente coeficiente de variación de la uniformidad térmica: Cu i = (valor absoluto de desviación típica de temperaturas respecto al valor medio en instante i) / (valor medio de temperaturas instante i) Dicho parámetro nos permitirá conocer la uniformidad térmica del proceso en cada instante del mismo así como su evolución global en el ciclo completo de moldeo rotacional simulado, permitiendo comparar la idoneidad de los procesos y moldes diseñados. Valores reducidos del coeficiente implicarán una elevada uniformidad térmica, siendo cero el valor mínimo posible, mientras que valores elevados supondrán una baja uniformidad. DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-69 3.6.3. Obtención de resultados de proceso de simulación 3.6.3.1. Distribución de temperaturas Los resultados del proceso de moldeo rotacional simulado para el molde convencional de aceite se muestran en las figuras 3.14 y 3.15. Temperaturas de fluidos en molde convencional de canales de aceite a 300 ºC 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura de aceite Temperatura de aire interior del molde Figura 3.14: Temperaturas de los fluidos del proceso simulado de rotomoldeo del molde de canales exteriores. Temperaturas del molde convencional de canales de aceite a 300 ºC 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura cara exterior canales del molde Temperatura cara interior canales del molde Temperatura cara de entrada del molde Temperatura cara de salida del molde Temperatura cara lateral del molde Figura 3.15: Temperaturas de sólidos del proceso simulado de rotomoldeo del molde de canales exteriores. CAPÍTULO III III-70 3.6.3.2. Uniformidad térmica La uniformidad del proceso puede observarse a partir del coeficiente de variación de la uniformidad térmica, figura 3.16, permite identificar al comienzo del ciclo una notable diferencia de temperaturas entre diferentes partes del molde. Este efecto corresponde a la diferencia de temperatura entre las caras de entrada de aceite y las restantes, las cuales sufren un proceso de calentamiento retardado por la entrada del flujo de aceite. A media que transcurre el paso del fluido a través del interior del molde se reducen significativamente las diferencias de temperatura entre las diferentes partes del molde hasta obtener una plena uniformidad. El mismo efecto se produce en el inicio del enfriamiento. Coeficiente de variación de uniformidad térmica a 0,06 l/s y 300 ºC 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Tiempo de ciclo (s) Coeficiente de variación (desviación ºC/ media ºC) Molde convencional de canales de aceite simulado Figura 3.16: Coeficiente de variación de la uniformidad térmica del proceso simulado de rotomoldeo de la cavidad interior del molde de canales exteriores 3.7. DISEÑO BÁSICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO DE CALENTAMIENTO POR ACEITE ENVOLVENTE 3.7.1. Limitaciones de molde de rotomoldeo de calentamiento por aceite convencional Los moldes de calentamiento por aceite convencionales disponen de varios problemas asociados a su sistema de calentamiento y enfriamiento, no presentados en los moldes de calentamiento por aire, pudiéndose limitar a dos aspectos los fundamentales: DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-71 • Mecanizado de los canales exteriores del molde • Baja uniformidad térmica Estos moldes requieren de un complejo trazado de canales o conductos de circulación de aceite acoplados en su exterior. Esto produce un sobrecoste en la fabricación de moldes así como un incremento de tiempo considerable en su ejecución. Además, el molde debe disponer de una capacidad mecánica suficiente para el soporte de dichos elementos. En cuanto a la uniformidad térmica, es inevitable disponer de una peor uniformidad respecto al calentamiento por horno debido a la necesidad de establecer zonas concretas de entrada y salida del fluido que producen un gradiente transitorio de temperatura. Además, la propia geometría de los canales, los cuales ocupan un área reducida de la superficie total exterior del molde, no abarcando el mismo en toda su amplitud, produce zonas de contacto con el aceite y zonas de contacto con el aire exterior. A pesar de las amplias ventajas energéticas que se obtienen, estas limitaciones hacen que los moldes de calentamiento por aceite pierdan competitividad respecto al calentamiento por horno, sobre todo para los fabricantes que busque precisión en el espesor de las piezas generadas Por otra parte, ambos tipos de molde siguen teniendo unas importantes limitaciones. El mecanizado de los moldes desde su diseño original hasta su final fabricación es un proceso costoso, limitándose en la mayoría de las ocasiones a la fabricación en serie de grandes cantidades de piezas, pues de lo contrario los costes unitarios para cortas tiradas de fabricación serían muy elevados. 3.7.2. Configuración base de molde prototipo de rotomoldeo de calentamiento por aceite envolvente El modelo prototipo diseñado debe responder a las necesidades y limitaciones de los moldes convencionales, tanto de calentamiento por aire como por aceite. Como primer elemento característico e innovador en el nuevo molde diseñado se encuentra la creación de una envolvente que recubra por completo todas las partes activas del molde, de forma que el aceite térmico, tanto en el proceso de calentamiento como en el de enfriamiento, transcurre por toda la superficie exterior del molde objeto de transmisión térmica. De esta forma, es posible obtener procesos térmicos de mayor velocidad y mejor uniformidad térmica. CAPÍTULO III III-72 Otro aspecto vital introducido en el diseño del nuevo molde se encuentra la incorporación de las tecnologías de Rapid Prototyping y Rapid Tooling, fundamentalmente las tecnologías de electroconformado, para la fabricación de los componentes principales del molde. Estas tecnologías, permitirá la fabricación en níquel o cobre de la cavidad del molde que conformará la pieza plástica, permitiendo alcanzar espesores de pared de tan solo 1 mm, con grandes capacidades mecánicas y reproducibilidades inalcanzables mediante tecnologías convencionales. 3.7.3. Diseño básico de molde prototipo de rotomoldeo de calentamiento por aceite envolvente Se ha modelado mediante herramientas CAD un molde cúbico estándar de rotomoldeo similar al modelo base de calentamiento por aceite convencional, de lado interior útil de 100 mm. Se ha establecido un espesor de 1 mm en toda su geometría, con níquel como material de diseño cuyas características principales como se resumen [10]:  Densidad: 8908 kg/m 3  Calor específico: 440 J/kg K  Conductividad térmica: 90,7 W /m K Dicho molde se ha diseñado con un canal exterior envolvente a la cavidad interior del molde, de 5 mm de anchura, por el cual discurrirá el aceite térmico. El volumen interior de aire así como de aceite es semejante tanto en el modelo de molde convencional como en el diseñado, estableciéndose un mismo marco comparativo. Figura 3.17: Modelo básico del molde de rotomoldeo prototipo de canal envolvente de aceite Este modelo básico, incorpora al igual que el modelo convencional, 4 aberturas de 10 mm de diámetro en una de las caras para la entrada de aceite térmico en el interior del DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-73 canal envolvente. De igual forma pero en la cara opuesta se han dispuesto otras 4 aberturas de similares dimensiones, para la salida del flujo de aceite. Por tanto, se ha diseñado un modelo básico de calentamiento por aceite envolvente de forma que permita, a través de los mismos métodos utilizados para simulación del molde convencional, una simulación completa y su posterior análisis comparativo con el molde convencional. Realizando el mismo procedimiento de simulación, se obtienen los siguientes resultados expuestos en los siguientes apartados. 3.7.3.1. Distribución de temperaturas Temperaturas de fluidos en molde prototipo de aceite a 300 ºC 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura de aceite Temperatura de aire interior del molde Figura 3.18: Temperaturas de los fluidos del proceso simulado de rotomoldeo del molde prototipo de canal envolvente. CAPÍTULO III III-80 60 s 60 s 90 s 90 s 120 s 120 s 900 s 900 s DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-81 930 s 930 s 960 s 960 s 990 s 990 s 1020 s 1020 s CAPÍTULO III III-82 1050 s 1050 s 1080 s 1080 s 1110 s 1110 s Figura 3.29: Distribución de temperaturas interiores del molde de canales exteriores (izquierda) y molde prototipo de canal envolvente (derecha) en diferentes momentos del proceso simulado de rotomoldeo. 3.9. DISEÑO AVANZADO DE MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO A partir de los datos obtenidos con anterioridad, donde queda confirmada la mayor eficiencia del proceso de calentamiento envolvente con aceite térmico, tanto desde el punto de vista de velocidad de calentamiento como de la uniformidad térmica, se continúa con el desarrollo del molde de prototipo, cuyas bases fundamentales son la utilización de una envolvente completa para la circulación del fluido térmico a la par del uso de las tecnologías DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-83 de Rapid Tooling, concretamente el electroconformado, para la obtención de una cavidad de molde en níquel y de 1 mm de espesor. 3.9.1. Limitaciones del molde prototipo Múltiples son las variables existentes en el proceso de moldeo rotacional, así como las posibles configuraciones del molde y los procesos de transferencia térmica, que hacen complejo tanto en estudio de los moldes de rotomoldeo actuales como el diseño de nuevos modelos y configuraciones. Por ello, es necesario establecer unas limitaciones de diseño, fundamentalmente geométricas, que permita desarrollar de forma acotada un modelo prototipo. El modelo prototipo quedará limitado geométricamente para la fabricación de piezas de forma cúbica, de medidas útiles máximas exteriores de 100 mm de lado: 100 mm de ancho - 100 mm de largo - 100 mm de alto Asimismo, y al tratarse de un desarrollo de prototipo completo y de aplicación real, incluyendo su posterior proceso de fabricación y ensayo, se limitarán las superficies activas hasta un máximo de 5 caras, de forma que la cara restante quedará aislada térmicamente, para el acceso al interior del molde. De esta manera, la pieza de fabricación será un elemento en forma de cubo totalmente hueco, con 5 caras conformadas. Figura 3.30: Imágenes de cavidad interior del molde básico de níquel de 1 mm de espesor. 3.9.2. Estudio del caudal óptimo Un aspecto fundamental en el desarrollo de un molde de rotomoldeo por calentamiento por aceite es el volumen de aceite circundante al mismo. Este volumen, tanto CAPÍTULO III III-84 para el caso de múltiples canales como concretamente para el molde prototipo objeto de estudio, influye significativamente en los procesos de transferencia térmica. El volumen de aceite se ha minimizado disponiendo el espesor mínimo requerido para un paso adecuado de aceite alrededor del molde. De esta manera, se ha especificado un canal envolvente de 5 mm de anchura, que permite un flujo adecuado de aceite por su interior, sin producir una elevada pérdida de carga, a la vez que permite una rápida renovación del aceite interior. Sin embargo, el parámetro que ha sido evaluado y estudiado con detenimiento ha sido el flujo volumétrico de aceite, pues una vez determinado un volumen de aceite mínimo envolvente, dicho flujo determinará las renovaciones de dicho volumen. Además, el flujo volumétrico es un parámetro de fácil control en la práctica, en sistema de bombeo y conducción del aceite. Para la determinación del caudal óptimo para el molde prototipo se ha establecido como principal criterio la velocidad de calentamiento producido en el proceso de moldeo rotacional tanto del aire interior del molde como de las paredes del molde. A partir del modelo básico de molde prototipo, se han establecido 14 flujos volumétricos, desde 2,5 · 10 -6 m 3 /s hasta 8 · 10 -5 m 3 /s (0,08 l/s), manteniendo el resto de condiciones invariables tales como la geometría del modelo, temperatura de entrada de 300 ºC, parámetros de cálculo, etc. Para evaluar la influencia de flujo volumétrico en el proceso, se han simulado todas las configuraciones de flujo, únicamente en el proceso de calentamiento, y se han obtenido los tiempos de calentamientos necesarios para alcanzar, en cada caso, la temperatura de 250ºC tanto en el punto central interior del aire interior del molde, como de las paredes del mismo. De esta manera, es posible determinar la influencia del flujo volumétrico en el proceso. La tabla 3.1 refleja la duración del proceso de calentamiento necesaria para alcanzar la temperatura de consigna en las diferentes partes del molde y para cada flujo volumétrico analizado. DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-85 Flujo volumétrico (m3/s) Aire interior Cara de entrada de molde Cara de salida de molde Cara lateral de molde 2,50 · 10 -6 459,51 192,44 594,30 432,12 5,00 · 10 -6 231,75 112,65 295,63 205,19 7,50 · 10 -6 174,83 91,52 209,14 149,14 1,00 · 10 -5 152,54 85,64 173,64 128,93 1,25 · 10 -5 141,38 81,31 153,42 116,76 1,50 · 10 -5 131,19 77,48 138,96 107,74 1,75 · 10 -5 122,77 74,61 127,11 100,40 2,00 · 10 -5 117,86 72,64 118,22 92,58 2,50 · 10 -5 114,43 70,78 113,03 90,03 3,00 · 10 -5 118,24 74,44 114,98 95,68 4,00 · 10 -5 116,20 70,59 114,74 95,70 5,00 · 10 -5 111,15 67,54 108,28 88,97 6,50 · 10 -5 106,43 65,06 101,66 84,18 8,00 · 10 -5 103,12 63,74 96,50 81,10 Tabla 3.1. Tiempo de ciclo requerido según caudal y zona de molde para alcanzar 250ºC. Analizando los resultados obtenidos, puede establecerse que el incremento del flujo volumétrico de aceite permite obtener mayores velocidades de calentamiento, sin embargo, este efecto disminuye paulatinamente hasta alcanzar una velocidad máxima de calentamiento, produciéndose una saturación de transferencia térmica, de forma que un incremento del flujo no incrementa la velocidad de calentamiento. Por tanto, debe establecerse un límite de flujo a partir del cual el gasto energético asociado al aumento del caudal no produce mejora en el proceso. Este valor máximo recomendable puede establecerse en 8 · 10 -5 m 3 /s, aunque a partir de 2,5 · 10 -5 m 3 /s (0,025 l/s) el incremento de velocidad de calentamiento es prácticamente irrelevante para el proceso. Cabe destacar que dichas consideraciones tienen carácter orientativo al pretender establecer un valor de referencia de flujo de aceite necesario en el molde, para las geometrías y condicionantes establecidos con anterioridad. Deben evaluarse otros factores que puedan influir en la elección del flujo volumétrico óptimo del proceso para una optimización final en un proceso real de fabricación. Por tanto, el flujo óptimo establecido solo obedece a un criterio de eficiencia térmica y reducción de tiempo de ciclo, pudiendo CAPÍTULO III III-86 existir otros condicionantes como la calidad de pieza final, o los procesos de uniformidad térmica que requieran un estudio avanzado del flujo de aceite. Velocidad de calentamiento del aire interior del molde 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0,0E+00 1,0E-05 2,0E-05 3,0E-05 4,0E-05 5,0E-05 6,0E-05 7,0E-05 8,0E-05 Flujo volumétrico (m 3 /s) Duración de calentamiento (s) Figura 3.31: Velocidad de calentamiento del interior del aire en proceso simulado de rotomoldeo de molde de canal envolvente. Duración de ciclo necesaria para alcanzar 250ºC en temperatura interior de aire en función del flujo volumétrico de aceite. Velocidad de calentamiento de la cara de entrada del aceite en el molde 0 50 100 150 200 250 0,0E+00 1,0E-05 2,0E-05 3,0E-05 4,0E-05 5,0E-05 6,0E-05 7,0E-05 8,0E-05 Flujo volumétrico (m 3 /s) Duración de calentamiento (s) Figura 3.32: Velocidad de calentamiento de cara de entrada de molde de canal envolvente en proceso simulado de rotomoldeo. Duración de ciclo necesaria para alcanzar 250ºC en temperatura de cara de entrada en función del flujo volumétrico de aceite. DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-87 Velocidad de calentamiento de la cara lateral del aceite en el molde 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0,0E+00 1,0E-05 2,0E-05 3,0E-05 4,0E-05 5,0E-05 6,0E-05 7,0E-05 8,0E-05 Flujo volumétrico (m 3 /s) Duración de calentamiento (s) Figura 3.33: Velocidad de calentamiento de cara lateral de molde de canal envolvente en proceso simulado de rotomoldeo. Duración de ciclo necesaria para alcanzar 250ºC en temperatura de cara lateral en función del flujo volumétrico de aceite. Velocidad de calentamiento de la cara de salida del aceite en el molde 0 100 200 300 400 500 600 700 0,0E+00 1,0E-05 2,0E-05 3,0E-05 4,0E-05 5,0E-05 6,0E-05 7,0E-05 8,0E-05 Flujo volumétrico (m 3 /s) Duración de calentamiento (s) Figura 3.34: Velocidad de calentamiento de cara de salida de molde de canal envolvente en proceso simulado de rotomoldeo. Duración de ciclo necesaria para alcanzar 250ºC en temperatura de cara de salida en función del flujo volumétrico de aceite. CAPÍTULO III III-88 3.9.3. Estudio de configuraciones de entrada y salida 3.9.3.1. Introducción La introducción del fluido térmico en el interior de la envolvente exterior del molde está expuesta a infinidad de posibilidades, de forma que es posible introducir el fluido por cualquiera de las partes exteriores del molde, de forma puntual en un solo punto, o de forma múltiple, mediante varias entradas. La forma y tipología de las entradas, y también salidas del fluido, influyen significativamente en el proceso de calentamiento y enfriamiento del molde, y por ende, del proceso de moldeo rotacional. Por ello, ha de establecerse qué configuración de introducción y extracción del flujo es óptima, o al menos, dentro de las limitaciones reales de fabricación del molde las que presentan mayor eficiencia. Para definir las mejores configuraciones de entrada y salida del fluido del molde deben establecerse unos criterios o parámetros indicadores que lo confirmen. Los parámetros seleccionados han sido la reducción del tiempo de ciclo (o velocidad de calentamiento y enfriamiento), la uniformidad térmica y la eficiencia energética. En la presente Tesis Doctoral, tal y como se ha expresado con anterioridad, se pretende optimizar el proceso de moldeo rotacional mediante calentamiento por aceite desde el punto de la eficiencia energética y económica, a través de la reducción de los tiempos y costes de fabricación, sin obviar la importancia de la uniformidad térmica. Sin embargo, no se desarrollan los aspectos de calidad y prestaciones de las piezas fabricadas al considerarse un campo muy amplio para incluirlo en el presente estudio... Por tanto, para la optimización de la configuración de entrada y salida del fluido en el molde se utilizarán los parámetros de tiempo de ciclo y uniformidad térmica como elementos indicadores, de forma que la configuración óptima será aquella que permita obtener el menor tiempo de ciclo y la mayor uniformidad posibles. La eficiencia energética está garantizada en el molde de canal envolvente exterior al mejorarse el tiempo de ciclo en igualdad de gasto energético. Dicho aspecto será estudiado en mayor detalle en posteriores capítulos. DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-89 3.9.3.2. Bases de cálculo A partir del modelo básico de molde prototipo se han realizado 25 configuraciones de entradas y salidas de aceite en el molde. Para ello, se han realizado múltiples entradas y salidas de forma circular, de 3 mm de diámetro, simulándose todas las configuraciones para un ciclo estándar de 300 s de calentamiento a 200 ºC y 300 s de enfriamiento a 20ºC. El flujo volumétrico establecido para este estudio ha sido de 2 · 10 -4 m 3 /s para garantizar la mínima afección de resultados que dicho parámetro pudiera producir. 3.9.3.3. Resultados de cálculo Las configuraciones estudiadas, sus curvas de calentamiento-enfriamiento y el coeficiente de variación de la uniformidad térmica del proceso se muestran en las imágenes de la figura 3.35. Para identificar las entradas de flujo en el molde se han matizado de color azul, mientras que las aberturas de salida del molde corresponden a las coloreadas en rojo. CAPÍTULO III III-96 No necesariamente la mejor configuración de entradas y salidas en el molde, en cuanto a uniformidad, corresponde a la de mayor velocidad de calentamiento. La notación de las entradas y salidas de flujo en el molde se han simplificado, correspondiéndose el índice e a entradas y s a salidas. Tabla 3.2. Tabla de ordenación de configuraciones de entradas y salidas, de mejor a pero configuración según uniformidad del proceso y velocidad de calentamiento. 3.9.3.4.1. Uniformidad térmica De los resultados expuesto puede determinarse, como era de esperar, que las configuraciones que disponen de mayor uniformidad térmica son aquellas que introducen y extraen el fluido por todas las caras posibles, de forma que se homogenice los puntos de Orden Uniformidad Velocidad 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 32 e - 32 s 84 e - 16 s 50 e - 50 s 96 e - 4 s 32 e - 4 s 36 e - 16 s 18 e - 18 s 30 e - 30 s 14 e - 14 s 64 e - 16 s 2 e - 2 s 40 e - 40 s 7 e - 15 s 15 e - 15 s 15 e - 15 s inferior 10 mm 15 e - 15 s inferior 2,5 mm 15 e - 15 s y 2 salidas inferiores 20 e - 15 s 25 e - 25 s 1 e - 1s 4 e - 1s 15 e - 15 s y 2 salidas inferiores 15 e - 15 s inferior estrecha 15 e - 15 s 15 e - 15 s inferior amplia 20 e - 15 s 25 e - 25 s 7 e - 15 s 1 e - 1 s 40 e - 40 s 2 e - 2 s 32 e - 32 s 14 e - 14 s 4 e - 1 s 64 e - 16 s 30 e - 30 s 50 e - 50 s 18 e - 18 s 32 e - 4 s 36 e - 16 s 84 e - 16 s 96 e - 4 s DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-97 contacto entre el fluido y el molde. Puede observarse como introduciendo el fluido por 32 puntos distribuidos en 4 caras, y extrayendo el mismo a través de un conjunto de salidas similares, se produce una mayor uniformidad respecto a la entrada mediante 30 puntos en dos caras opuestas, y otros 30 puntos de salida en dos de las caras restantes. Figura 3.36: Configuración de 32 entradas y 32 salidas de flujo en el molde (izquierda) y configuración de 30 entradas y 30 salidas de flujo en el molde (derecha) Asimismo, generalmente las configuraciones con grandes cantidades de puntos de entradas y salida permiten distribuir aún más uniformemente el fluido. Nótese dicho efecto comparando la configuración de 32 entradas y 32 salidas, respecto a su misma configuración pero de menor cantidad de aberturas, 18 entradas y 18 salidas. Figura 3.37: Configuración de 32 entradas y 32 salidas de flujo en el molde (izquierda) y configuración de 18 entradas y 18 salidas de flujo en el molde (derecha) En función de las necesidades que se requieran, es posible generar una configuración concreta de entradas y salidas del fluido que permitan incrementar la velocidad del proceso, a costa de una menor uniformidad, o viceversa. Incluso es posible la elección de una configuración balanceada entre la uniformidad y la velocidad de transferencia térmica del proceso. CAPÍTULO III III-98 3.9.3.4.2. Velocidad del proceso Respecto a la velocidad del proceso, considerando fundamentalmente la etapa de calentamiento y entendida esta de forma global para el conjunto de partes activas del molde (punto central de aire y caras interiores del molde), las mejores configuraciones son aquellas que introduce en fluido por una de las caras activas, denominada de entrada, y es extraído por la cara opuesta, quedando el resto de caras activas del molde sin puntos de entrada o salida de fluido. Estas configuraciones de mayor velocidad, introducen el fluido de forma localiza en una cara del molde, produciendo un incremento elevado de la temperatura en dicha cara y en el interior del molde, al centralizar todo el flujo en dicha zona a máxima temperatura. La distribución de estas entradas en varias caras disminuyen el caudal unitario de cada una de las mismas, y el proceso se ralentiza. Sin embargo, aquellas configuraciones producen un diferencial de temperatura mayor entre las diferentes caras del molde, lo que produce una menor uniformidad del conjunto. Otro aspecto a destacar en el molde base de estudio, de 5 caras activas, radica en que el fluido envuelve al molde en dichas caras, esto es en todas las caras del molde exceptuando la cara superior, por lo que la cara inferior del modelo recibirá una circulación mayor de flujo debido a la distribución hidráulica interior del flujo de aceite, lo que unido a la inexistencia de aporte calorífico en al parte superior del molde produce que la temperatura media de la cara inferior del molde sea siempre mayor que la del resto de caras, en prácticamente todo el proceso. Este aspecto puede ser beneficioso para producir mayores espesores en dicha parte, pero en el caso de no ser así, la modificación del tamaño del canal envolvente en dicha zona o la incorporación nuevas salidas del fluido solventarían dicho efecto. Por tanto, las configuraciones de mayor velocidad de calentamiento de las estudiadas corresponden a las de 15 entradas y 15 salidas en caras opuestas en sus diferentes variantes. 3.9.3.4.3. Determinación de modelos óptimos Según lo expuesto, sería muy complejo obtener una configuración óptima que disponga tanto de la máxima uniformidad como de la mayor velocidad de calentamiento DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-99 dados las limitaciones y condicionantes establecidos. Sin embargo, es posible identificar con claridad la solución óptima en función de una mayor uniformidad o de la velocidad de calentamiento. La configuración que aporta mayor uniformidad térmica corresponde al modelo de 32 entradas y 32 salidas distribuidas en todas las caras excepto la inferior. La configuración de mayor velocidad de proceso corresponde al modelo de 15 entradas y 15 salidas distribuidas en dos caras opuestas e incorporando dos salidas centrales en la cara inferior. De las 5 configuraciones con mejor uniformidad térmica, el modelo de 32 entradas y 32 salidas dispone de la mejor velocidad de proceso. De manera análoga, la configuración de 15 entradas y 15 salidas en caras opuestas dispone de la mejor uniformidad térmica, perteneciendo a las 5 mejores configuraciones de velocidad de proceso. Para establecer un completo marco comparativo entre diferentes modelos habría que ponderar la relevancia tanto de las diferencias de prestaciones entre los diferentes modelos y la relevancia del indicador en el proceso en sí. Es decir, debería evaluarse las diferencias netas entre las diferentes uniformidades de los modelos, pues en muchos casos, las uniformidades son muy similares. Lo mismo sucede con la velocidad de calentamiento, cuyas diferencias entre varios modelos son despreciables. Por otra parte, las reducciones del tiempo de ciclo debido al incremento de la velocidad del calentamiento pueden ser considerables, mientras que en el caso de la uniformidad, dichas mejoras pueden ser despreciables. Si se compara la incidencia de la velocidad de calentamiento en el proceso de simulación, concretamente para los mejores modelos de 15 entradas y 15 salidas como mejor modelo en velocidad de calentamiento, y 32 entradas y 32 salidas como de mejor uniformidad, se puede observar como la reducción de tiempo de proceso de calentamiento del primer modelo respecto del segundo es de hasta el 29,03% para la cara de entrada de los moldes, y del 21,97% para el punto central interior de aire. CAPÍTULO III III-100 Temperaturas de configuración 15 e - 15 s y 32 e - 32 s 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Molde cara de salida 15e 15s Molde cara de entrada 15e 15s Molde cara lateral 15e 15s Punto central aire 15e 15s Molde cara de salida 32e 32s Molde cara de entrada 32e 32s Molde cara lateral 32e 32s Punto central aire 32e 32s Entrada aceite Figura 3.38: Comparativa de temperaturas de configuración de 32 entradas y 32 salidas y configuración de 15 entradas y 15 salidas, en procesos simulados de rotomoldeo de molde de canal envolvente Temperaturas de configuración 15 e - 15 s y 32 e - 32 s 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Molde cara de entrada 15e 15s Molde cara de entrada 32e 32s Figura 3.39: Comparativa de temperaturas de caras de entradas de configuración de 32 entradas y 32 salidas y configuración de 15 entradas y 15 salidas, en procesos simulados de rotomoldeo de molde de canal envolvente DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-101 Temperaturas de configuración 15 e - 15 s y 32 e - 32 s 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Molde cara lateral 15e 15s Molde cara lateral 32e 32s Figura 3.40: Comparativa de temperaturas de caras laterales de configuración de 32 entradas y 32 salidas y configuración de 15 entradas y 15 salidas, en procesos simulados de rotomoldeo de molde de canal envolvente Temperaturas de configuración 15 e - 15 s y 32 e - 32 s 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Molde cara de salida 15e 15s Molde cara de salida 32e 32s Figura 3.41: Comparativa de temperaturas de caras de salidas de configuración de 32 entradas y 32 salidas y configuración de 15 entradas y 15 salidas, en procesos simulados de rotomoldeo de molde de canal envolvente CAPÍTULO III III-102 Temperaturas de configuración 15 e - 15 s y 32 e - 32 s 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Aire interior del molde 15e 15s Aire interior del molde 32e 32s Figura 3.42: Comparativa de temperaturas de punto interior de aire de configuración de 32 entradas y 32 salidas y configuración de 15 entradas y 15 salidas, en procesos simulados de rotomoldeo de molde de canal envolvente Realizando el mismo análisis para la uniformidad térmica, entre dichos modelos, el segundo modelo dispone de una mayor uniformidad de hasta un 80% en el proceso de calentamiento y de hasta un 92,92% en el de enfriamiento. Cabe destacar que estas diferencias son puntuales, en intervalos inferiores a un minuto. Finalmente respecto al estudio del coeficiente de variación de la uniformidad térmica, debe tenerse en cuenta que un valor, adimensional, de 0,1 implica una desviación media de temperatura de 10º C entre las diferentes partes del molde y para una temperatura media de 100 º C (recuérdese que dicho factor resulta del cociente entre la desviación típica de un conjunto de temperaturas y el valor medio de las mismas). DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-103 Coeficiente de variación de uniformidad térmica configuración 15 e - 15 s y 32 e - 32 s 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Tiempo de ciclo (s) Coeficiente de variación (desviación ºC/media ºC) Configuración 15 e - 15 s Configuración 32 e - 32 s Figura 3.43: Comparativa del coeficiente de variación de la uniformidad térmica de caras de molde de configuración de 32 entradas y 32 salidas y configuración de 15 entradas y 15 salidas, en procesos simulados de rotomoldeo de molde de canal envolvente Según lo expuesto anteriormente, en la comparación de dos configuraciones debe considerarse cuán relevante es la mejora de un indicador respecto al otro, para verificar la completa idoneidad del modelo. Existen otras configuraciones que si bien no destacan en ninguno de los dos indicadores utilizados para la comparación entre diferentes tipos de distribuciones de entrada y salida de flujo de aceite, mantienen una relación uniformidad-velocidad de calentamiento intermedia, como pueden ser los modelos de 2 entradas y 2 salidas, o 14 entradas y 14 salidas. Estas configuraciones mantienen una uniformidad aceptable, a la vez de una velocidad de calentamiento razonable siendo buenas opciones cuando se requiera mantener adecuadamente ambos parámetros simultáneamente. 3.9.3.5. Selección de configuración para molde prototipo Con el fin de continuar en el desarrollo completo del molde prototipo de rotomoldeo por calentamiento mediante fluido térmico debe seleccionarse una configuración concreta, para posteriormente proceder a su fabricación, ensayo y validación. CAPÍTULO III III-104 Las configuraciones estudiadas con anterioridad han sido evaluadas desde el punto de vista del proceso térmico del moldeo rotacional, sin embargo, también existen otros aspectos de importancia que influyen en la elección de un molde, como es su complejidad geométrica, que podría dificultar o incluso imposibilitar su fabricación en un proceso real de fabricación del molde. La dificultad o costes de su fabricación, la durabilidad del molde o la complejidad de su manipulación en el propio proceso, entre otros, pueden ser condicionantes que impidan la ejecución de determinadas configuraciones de molde, por muy eficientes u óptimos para el proceso sean. De las configuraciones estudiadas, se ha seleccionado definitivamente el modelo de 25 entradas y 25 salidas como configuración básica para la continuación del desarrollo del molde prototipo. Como se expone en el siguiente apartado, esta configuración dispone de todas las entradas en una sola cara del molde, al igual que las salidas de flujo, dispuestas en otra cara opuesta a la de las entradas. Esta configuración permite su mecanizado de forma relativamente sencilla, además de requerir un sistema de “inyección” de flujo más simple que si se tratase de múltiples entradas y salidas en una misma cara., donde se requeriría una separación previa del flujo según fuese de entrada o salida, complicando la fabricación del molde. Este tipo de configuraciones son de fácil implantación en un molde, simplificando tanto su fabricación, como su manipulación y control en el proceso de rotomoldeo real, en comparación, por ejemplo, del modelo de 32 entradas y 32 salidas, las cuales se encuentran distribuidas en varias caras activas del molde y cuya aplicación real resultaría muy compleja y costosa. Por otra parte, la configuración de 25 entradas y 25 salidas es un modelo versátil, ya que otras configuraciones pueden obtenerse mediante la simplificación de dicha configuración, mediante el cierre de las aberturas que se deseen, obteniéndose modelos de 1, 4, 7, 15 ó 20 entradas y/o salidas, entre otras posibles configuraciones, entre las que se encuentra la configuración de 15 entradas y 15 salidas, considerada óptima en cuanto a velocidad de proceso. De esta forma es posible experimentar y validar múltiples configuraciones en un proceso de moldeo rotacional real. DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-105 3.9.4. Desarrollo de manifold de molde de rotomoldeo 3.9.4.1. Consideraciones iniciales El uso de aceite térmico para los procesos de transferencia térmica requiere de la manipulación de dicho fluido. Esto implica la utilización de un sistema de bombeo, compuesto fundamentalmente por una bomba centrífuga de aceite y una pequeña red de conductos. Dicho sistema dispone de un único punto de impulsión, debido a que las bombas están configuradas generalmente con una única salida de flujo. Por tanto, existe una interfase del flujo hidráulico que se inicia en un único punto (la salida de impulsión de la bomba) y finaliza en las múltiples entradas que se disponen en el molde, según la configuración elegida. De igual forma, las múltiples salidas deben recircularse nuevamente hasta un tanque de recepción de aceite, para proceder posteriormente a su nueva introducción en el molde, si se tratase de un circuito cerrado. Los resultados obtenidos en los procesos de diseño y cálculo anteriormente expuestos están basados en una serie de condicionantes geométricos, de flujo, temperatura, etc. Por tanto, para continuar con el proceso de diseño de un molde prototipo de rotomoldeo sin modificar dichos resultados, deben mantenerse las hipótesis iniciales de estudio, fundamentalmente las de flujo. Para ello debe diseñarse un distribuidor o manifold que a partir de un único punto de aceite (salida de la impulsión del sistema de bombeo) distribuya el flujo de aceite en las múltiples entradas al molde (puntos de introducción de aceite en el molde) de forma que permanezca invariable la geometría del canal envolvente de aceite, la temperatura de entrada y el flujo volumétrico del aceite. Figura 3.44: Configuración básica inicial de manifold de 1 entrada y 25 salidas. CAPÍTULO III III-112 El manifold desarrollado ha sido obtenido fundamentalmente atendiendo a las necesidades de introducción de flujo en el molde, sin embargo, el mismo igualmente será utilizado para la extracción del fluido, que aun no teniendo la misma importancia, a efectos prácticos también requiere unificar los flujos de salida en único punto para simplificar la integración del molde en una máquina real de moldeo rotacional. Por tanto, el manifold octopus será integrado en el molde tanto para la introducción como para la extracción del flujo, obteniéndose un conjunto manifold completo que conformará la parte exterior del canal envolvente por el que transcurrirá el flujo de aceite. Figura 3.53: Vistas varias del manifold octopus completo, en caras opuestas. Finalmente, el manifold, fabricado en una sola pieza, incorporará las cavidades necesarias para su correcto ensamblaje con el resto de elementos del conjunto del molde, permitiendo así obtener un molde completo perfectamente acoplado. Figura 3.54: Vistas varias de diseño final del manifold octopus completo, en caras opuestas, incluyendo cavidades de acople de soportes y otros elementos. 3.9.5. Diseño completo de molde de rotomoldeo Para un completo desarrollo del molde de rotomoldeo, su posterior fabricación real y el ensamblaje con una máquina de moldeo rotacional es necesario el diseño y ejecución de la cavidad interior del molde así como una serie de elementos de utillaje, compuestos principalmente por: • Estructura soporte • Tapa de abertura del molde • Juntas y otros accesorios DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-113 3.9.5.1. Cavidad interior del molde Como se ha establecido anteriormente, el desarrollo del molde de rotomoldeo por calentamiento envolvente de aceite se ha basado en un tipo de pieza estándar a fabricar, de forma cúbica y de 100 mm de lado y en la generación de una cavidad de molde electroconformada en níquel con un espesor de 1 mm. A partir de estas consideraciones y del modelo básico de cavidad de molde generada para los análisis de los apartados anteriores, se diseña una cavidad electroconformada definitiva, cuyas principales diferencias respecto al modelo básico son las siguientes: • Redondeo de aristas exteriores e interiores con radio medio de 5 mm • Ejecución de inclinación mínima interior de 1º para facilitar la extracción de piezas fabricadas • Incorporación de base soporte de anclaje al conjunto del molde • Redondeo de bordes superiores de base soporte para facilitar el proceso de electroconformado Figura 3.55: Vistas varias de diseño final de cavidad interior de molde de níquel de 1 mm de espesor. 3.9.5.2. Estructura soporte El molde de rotomoldeo deberá estar sujeto a la máquina de moldeo rotacional la cual, además de suministrar el fluido para la transferencia térmica en los procesos de CAPÍTULO III III-114 calentamiento y enfriamiento, generará los movimientos giratorios necesarios para que se produzca la fabricación de las piezas. Por tanto, debe diseñarse un sistema soporte que permita la conexión de los conductos de fluidos así como el anclaje al brazo de la máquina de moldeo rotacional. Se diseña un conjunto de soportes superior e inferior sobre los cuales se montan el manifold, cáscara de níquel, juntas, tapas y demás elementos accesorios. Por otra parte, se desarrollan dos crucetas laterales para el cierre y acople de los soportes superior e inferior, la conexión de los conductos y el anclaje a la máquina de moldeo rotacional. Figura 3.56: Vistas varias de soportes superior, inferior y crucetas laterales. 3.9.5.3. Tapa de abertura del molde Para la introducción del material en forma de polvo para la fabricación de las piezas y la extracción de éstas una vez rotomoldeadas se genera una tapa de acceso a través de la cara no activa del molde, anclada a los soportes del mismo. 3.9.5.4. Juntas y otros accesorios Finalmente también debe diseñarse un conjunto de elementos secundarios tales como juntas, tornillería y accesorios de montaje de sondas de temperatura para una completa definición del molde de rotomoldeo. DESARROLLO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO III-115 3.9.6. Versatilidad del molde de rotomoldeo diseñado Una de las principales novedades del molde diseñado se encuentra en su amplia versatibilidad para la fabricación de diferentes tipos de piezas sin modificar el utillaje utilizado, ni tan siquiera el distribuidor de aceite u otros elementos. El molde diseñado permite el intercambio de diferentes tipos de cavidades interiores de molde, fabricadas mediante electroconformado, y dentro de los límites máximos de 102 mm de ancho, largo y alto, para la fabricación de piezas de cualquier geometría pero considerando la parte superior de la pieza inactiva, para el acceso al molde. Figura 3.57: Vistas varias de diseños básicos de cavidad interior de molde de níquel de 1 mm de espesor. De izquierda a derecha, en forma cúbica, cilíndrica, tronco piramidal y semiesférica. De esta manera, sin desacoplar el molde de la máquina de moldeo rotacional, únicamente mediante la apertura de la tapa del molde es posible extraer la cavidad interior e introducir una nueva produciendo las siguientes mejoras en el proceso: • Ahorro considerable de costes en fabricación de moldes y utillajes. • Reducción de tiempo de cambio de molde • Fabricación de series cortas de piezas CAPÍTULO III III-116 Figura 3.58: Vistas varias de diseño final de molde de rotomoldeo completo de calentamiento por aceite a través de canal envolvente, manifold octopus y cavidad interior del molde de níquel de 1 mm. Capítulo IV PROCESOS DE FABRICACIÓN DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO PROCESOS DE FABRICACIÓN DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO IV-119 4. PROCESOS DE FABRICACIÓN DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO 4.1. INTRODUCCIÓN En el presente capítulo se detallan los procesos de fabricación llevados a cabo para la obtención del molde de rotomoldeo. No se pretende desarrollar dichos procesos sino presentarlos de manera básica, enunciando sus procedimientos de fabricación, principales características y ventajas, así como la importancia de su utilización en el estudio que se ha realizado para la validación del molde de rotomoldeo diseñado. Desarrollado, simulado y evaluado por completo dicho molde de rotomoldeo por envolvente de aceite se ha procedido a su fabricación para posteriormente, y mediante una máquina de moldeo rotacional también diseñada y fabricada para el presente estudio de investigación, realizar la validación de los cálculos, diseños y simulaciones realizadas. Múltiples son las posibilidades de fabricación de las diferentes partes del molde de rotomoldeo diseñado, tanto en procesos de fabricación como en utilización de materiales, sin embargo, la elección de ambos aspectos resulta primordial para cumplir con los condicionantes establecidos en las bases de cálculo y diseño, y consecuentemente, con los objetivos y resultados esperados del molde diseñado. El proceso por excelencia utilizado en la producción de moldes es el mecanizado por arranque de material, además de los procesos de fundición y electrofusión. El mecanizado por arranque de material puede ser realizado en máquinas -herramienta de arranque de viruta mediante cuchillas o por arranque de partículas mediante abrasión. Sin embargo, no siempre el arranque de material en máquinas CNC resuelve todos los problemas de mecanizados complejos. Las limitaciones propias del mecanizado impiden por ejemplo conseguir geometrías angulosas, inaccesibles o cuya profundidad y posición sean inviables por fresado. Además, estas tecnologías dificultan la obtención de moldes de bajos espesores, que permitan maximizar las transferencias de calor que se producen en el proceso de moldeo rotacional. [1] Como aspecto innovador necesario para el completo desarrollo del molde de rotomoldeo diseñado se han utilizado tecnologías de prototipado rápido (Rapid Prototyping) y tecnologías de fabricación rápida de herramientas y utillaje (Rapid Tooling) que introducen varios aspectos competitivos en el proceso de moldeo rotacional, como son la generación CAPÍTULO IV IV-120 rápida y económica de moldes y utillajes de rotomoldeo, totalmente funcionales y de gran calidad. 4.2. MATERIALES DE FABRICACIÓN DE MOLDES En la industria del moldeo rotacional, la gran mayoría de los moldes se hacen de metal, principalmente acero al carbono, aluminio o acero inoxidable. Sin embargo, las nuevas tecnologías de fabricación permiten obtener piezas de geometrías complejas a partir de materiales menos usuales, como el níquel, con grandes capacidades mecánicas, fácil fabricación, bajo coste y con buenas propiedades térmicas. En las figuras 4.1 y 4.2 se comparan en términos de equivalencia mecánica y térmica el níquel y el acero inoxidable en comparación con el aluminio, tomado como material de referencia. Podemos observar los espesores necesarios de dichos materiales para proporcionar la misma rigidez a la flexión que el aluminio o la misma transferencia térmica. Por ejemplo, 7,3 mm de espesor de níquel son mecánicamente equivalentes a 10 mm de espesor de aluminio, o por el contrario 1 mm de espesor de níquel es equivalente térmicamente a 6,8 mm de espesor de aluminio. [2] Figura 4.1: Espesor de rigidez a flexión equivalente entre diferentes materiales PROCESOS DE FABRICACIÓN DEL MOLDE DE ROTOMOLDEO PROTOTIPO IV-121 Figura 4.2: Espesor de transferencia térmica equivalente entre diferentes materiales Por tanto, la introducción del níquel como material de fabricación de moldes de rotomoldeo es una solución atractiva, con gran potencialidad y posibilidades de desarrollo en la industria de fabricación de moldes en comparación con los materiales convencionales ampliamente utilizados en el sector, si bien desde el punto de vista térmico el níquel es competitivo mediante el uso del electroconformado con mínimo espesor. 4.3. TECNOLOGÍAS DE RAPID PROTOTYPING APLICADAS A LA FABRICACIÓN DE MOLDES DE ROTOMOLDEO Las tecnologías de fabricación de prototipos rápidos (Rapid Prototyping) y herramientas rápidas (Rapid Tooling) se han convertido en los últimos años en un avance tecnológico importante que posibilita la mejora en los procesos de diseño y fabricación de piezas. Aunque son varios los campos que abarcan estas técnicas, es precisamente en el de los plásticos donde más ha evolucionado y donde se encuentra su mayor rendimiento [1] Los objetivos fundamentales del Prototipado Rápido son: • Reducir el tiempo entre el diseño y la obtención de la pieza física. • Reducir el coste. Esta rapidez y el hecho de utilizar máquinas que funcionan prácticamente sin la intervención de mano de obra reducirá el coste de los prototipos. CAPÍTULO VI VI-224 Analizando desde otro punto de vista el efecto sobre los espesores producidos por el incremento de la duración del tiempo de calentamiento del proceso, puede observarse una reducción del espesor medio de las piezas del 24,44% considerando el espesor medio del ensayo con 300 s de calentamiento y su equivalente a 900 s. Dicha reducción de espesor alcanza un 45,51% en el mayor de los tiempos de calentamiento dispuestos, 2400 s. La tendencia asintótica de dicha reducción, según la representación de la figura 6.27, pone de manifiesto los espesores mínimos alcanzables, y por tanto, los límites de los procesos de densificación del material durante el proceso de rotomoldeo. Reducción porcentual de espesores medios globales en ensayos a 140 ºC 300; 0,00% 900; 24,44% 1500; 40,53% 2400; 45,51% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650 1800 1950 2100 2250 2400 Duración de calentamiento (s) Reducción de espesor (%) Figura 6.27: Diagramas de reducción porcentual de espesor medio global de las piezas obtenidas en ensayos a 140 ºC y según variación del tiempo de calentamiento. Por tanto, el aumento de la duración del proceso de calentamiento durante el moldeo rotacional produce una mayor densificación del material, lo cual revierte en espesores menores de piezas, con mayor densidad y mínimo contenido de aire interior. Este proceso redunda en mejores características mecánicas, impermeabilidad, flexibilidad, elasticidad y otros aspectos concordantes. Sin embargo, una de las principales cuestiones a resolver en el moldeo rotacional consiste en la reducción del tiempo de ciclo, muy condicionado al tiempo de calentamiento necesario para la conformación de las piezas. De ahí la importancia de los análisis que en estos apartados se están llevando a cabo. EXPOSICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS VI-225 Según las especificaciones y características que se requieran en las piezas rotomoldeadas, deberán optimizarse los tiempos de calentamiento, entre otros parámetros, deseándose generalmente minimizar la duración del calentamiento, y por tanto de ciclo. Como se mostrará en el siguiente apartado de ensayos a 160 ºC, así como en lo expuesto en el grupo de ensayos de variación de temperatura del apartado 6.4.2., el incremento de la temperatura de calentamiento permite reducir los tiempos de calentamiento necesarios para producir densificaciones del material adecuadas a las necesidades generales de las piezas del moldeo rotacional. 6.4.4. Variación del tiempo de calentamiento a 160ºC Prosiguiendo en el análisis y optimización de la reducción del tiempo de ciclo se desarrollan nuevos ensayos con variación del tiempo de calentamiento, similares al grupo de ensayos anterior, incrementando la temperatura de calentamiento del aceite térmico hasta 160 ºC, que corresponde con la máxima temperatura posible por razones de limitaciones de la máquina de ensayos y de seguridad operacional. De forma análoga a los ensayos realizados con variación del tiempo de calentamiento a 140 ºC, se desarrollan ensayos a 160 ºC con tiempos de calentamiento a 300 s, 900 s, 1500 s y 2400 s que corresponden a 5, 15, 25 y 40 minutos respectivamente, manteniendo el resto de parámetros invariables. 6.4.4.1. Objetivos principales de la variación del tiempo de ciclo El presente grupo de ensayos permitirá, además de corroborar las conclusiones parciales y análisis realizados anteriormente, establecer en mayor profundidad los aspectos fundamentales de reducción del tiempo de ciclo global y la densificación del material en las piezas rotomoldeadas, utilizando como base comparativa los ensayos similares realizados a 140 ºC. 6.4.4.2. Resultados experimentales En la figura 6.28 se muestran las diferentes curvas de los ensayos con variación de ciclo, en esta ocasión a temperaturas de calentamiento del aceite térmico de 160 ºC. Dichas curvas muestran de forma solapada los resultados obtenidos en los diferentes ensayos para los diferentes tiempos de calentamiento seleccionados. CAPÍTULO VI VI-226 Tras la exposición de los resultados y mediciones de espesores resulta de interés el análisis comparativo de los espesores obtenidos y los tiempos de ciclo equivalentes entre los ensayos realizados a 140 ºC y 160 ºC. Curvas de temperaturas varias 160 ºC 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura de aire Temperatura de níquel Temperatura de aceite 300 s 900 s 1500 s 2400 s Figura 6.28: Diagramas de temperaturas superpuestas de los diferentes ensayos a 160 ºC con variación del tiempo de calentamiento. 6.4.4.2.1. Espesores de piezas obtenidas en ensayos De igual forma a la exposición de los ensayos a 140 ºC, la medición de los espesores resulta primordial para realizar una comparación de los tiempos de calentamiento. Las piezas rotomoldeadas han sido caracterizadas mediante sus espesores como se muestra en las tablas 6.7 y 6.8. Espesor (mm) Ensayo Tiempo de calentam. (s) cara de entrada cara derecha cara izquierda cara de salida 22 300 2,78 2,56 2,68 3,31 3,32 3,05 2,98 2,80 2,94 2,50 2,31 2,53 23 900 2,21 2,16 2,20 2,08 2,12 2,20 2,11 2,15 2,21 1,52 1,53 2,56 24 1500 1,67 1,65 1,69 2,12 2,05 2,03 1,68 1,82 1,90 1,45 1,50 1,51 25 2400 1,71 1,67 1,65 1,79 1,78 1,87 1,65 1,70 1,64 1,43 1,50 1,53 Tabla 6.7: Espesores de los diferentes puntos tomados en las caras laterales de las piezas rotomoldeadas obtenidas en los ensayos a 160 ºC. EXPOSICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS VI-227 Espesor medio (mm) Ensayo Tiempo de calentamiento (s) cara de entrada cara derecha cara izquierda cara de salida global 22 300 2,67 3,23 2,91 2,45 2,81 23 900 2,19 2,13 2,16 1,87 2,09 24 1500 1,67 2,07 1,80 1,49 1,76 25 2400 1,68 1,81 1,66 1,49 1,66 Tabla 6.8: Espesores medios de las caras laterales de las piezas rotomoldeadas obtenidas en los ensayos a 160 ºC. Los resultados obtenidos reafirman los dos efectos fundamentales producidos anteriormente en los ensayos a 140 ºC; decrecimiento de los espesores a mayor tiempo de calentamiento y saturación del proceso de densificación tras el incremento del tiempo de calentamiento de forma que no se producen menores espesores con el incremento de la duración de calentamiento. Espesores medios 160 ºC 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25 250 400 550 700 850 1000 1150 1300 1450 1600 1750 1900 2050 2200 2350 2500 Duración de calentamiento (s) Espesor de pieza (mm) Cara de entrada Cara derecha Cara izquierda Cara de salida Figura 6.29: Diagramas de espesores medios de las piezas obtenidas en ensayos a 160 ºC y según variación del tiempo de calentamiento. Los espesores producidos por el incremento de la duración del tiempo de calentamiento del proceso quedan reducidos al 25,80%, considerando el espesor medio del ensayo con 300 s de calentamiento y su equivalente a 900 s. Dicha reducción de espesor alcanza un máximo de 41,00% en el mayor de los tiempos de calentamiento dispuestos, CAPÍTULO VI VI-228 2400 s. La tendencia asintótica de dicha reducción, según la representación de la figura 6.30, pone de manifiesto los espesores mínimos alcanzables, y por tanto, los límites de los procesos de densificación del material durante el procesos de rotomoldeo, de igual forma que en los ensayos a 140 ºC. Reducción porcentual de espesores medios globales en ensayos a 160 ºC 300; 0,00% 900; 25,80% 1500; 37,59% 2400; 41,00% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650 1800 1950 2100 2250 2400 Duración de calentamiento (s) Reducción de espesor (%) Figura 6.30: Diagramas de reducción porcentual de espesor medio global de las piezas obtenidas en ensayos a 160 ºC y según variación del tiempo de calentamiento. 6.4.4.3. Análisis comparativo de ensayos a 140 ºC y 160 ºC El mayor interés de los dos grupos de ensayos de variación de temperatura, realizados a 140 ºC y 160 ºC, se encuentra en el análisis del efecto que estas temperaturas producen en los tiempos de calentamiento para obtener espesores de piezas similares. Dicho de otra forma, cómo el incremento de temperatura permite obtener piezas de igual espesores con menor tiempo de proceso, respecto a otros ensayos de menor temperatura. En la figura 6.31 se muestra la variación del espesor medio de las piezas rotomoldeadas en los ensayos experimentales realizados tanto a 140 ºC como a 160 ºC. Además, se ha representado una extrapolación simple de los resultados aproximados que podrían darse para ensayos a 180 ºC. Ha de tenerse en cuenta que para dichas extrapolaciones se han utilizado parámetros correspondientes también a ensayos a 100 ºC y 120 ºC en similares condiciones. EXPOSICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS VI-229 El incremento de temperaturas realizado en los ensayos a 160 ºC ha producido una reducción del espesor medio respecto a los ensayos a 140 ºC en valores superiores al 18%, en los ensayos con menor tiempo de calentamiento. Atendiendo a los datos extrapolados a ensayos a 180 ºC, las reducciones podrían superar el 30% de reducción de espesor. Es de resaltar además cómo a medida que se incrementa la temperatura del proceso, las diferencias de espesores medios entre los diferentes ensayos se minimizan, observándose como las variaciones de espesores se acortan paulatinamente con el incremento de la duración de la etapa de calentamiento. Mientras que entre los ensayos de 900 s y 300 s de calentamiento, donde se produce un incremento del tiempo de ciclo en 600 s, las reducciones de espesores a 140 ºC y 160 ºC alcanzan valores superiores al 24%, en los ensayos de 1500 s y 2400 s de tiempo de calentamiento las reducciones de espesores entre dichos ensayos tan sólo alcanzan valores próximos al 8% y 5% para las temperaturas de 140 ºC y 160 ºC respectivamente. Por tanto, las reducciones de espesores más productivas o eficientes se localizan en los primeros 900 s del proceso, siendo imperativo desde un punto de vista energético un incremento de temperatura en contrapartida a un incremento del tiempo de calentamiento. Espesores globales medios a 140 ºC y 160 ºC 300; 3,38 900; 2,55 1500; 2,01 2400; 1,84 300; 2,81 900; 2,09 1500; 1,76 2400; 1,66 300; 2,36 900; 1,70 2400; 1,55 1500; 1,58 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 250 400 550 700 850 1000 1150 1300 1450 1600 1750 1900 2050 2200 2350 2500 Duración de calentamiento (s) Espesor de pieza (mm) Ensayos a 140 ºC Ensayos a 160 ºC Extrapolación simple a 180 ºC Figura 6.31: Diagramas de espesores medios globales de las piezas obtenidas en ensayos a 140 ºC y 160 ºC según la variación del tiempo de calentamiento y extrapolación simple de espesores a 180 ºC. Atendiendo a las reducciones de espesores alcanzables con el incremento paulatino de las temperaturas de aceite térmico en las fases de calentamiento, es posible evaluar las reducciones del tiempo de calentamiento en condiciones de similares espesores en piezas CAPÍTULO VI VI-230 rotomoldeadas. En la figura 6.32 se establece a modo comparativo los tiempos de calentamiento necesarios para obtener piezas de similares espesores en función de las temperaturas de calentamiento de aceite térmico utilizadas. Espesores globales medios a 140 ºC y 160 ºC 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70 2,80 2,90 3,00 3,10 3,20 3,30 3,40 3,50 250 350 450 550 650 750 850 950 1050 1150 1250 1350 1450 1550 1650 1750 1850 1950 2050 2150 2250 2350 2450 Duración de calentamiento (s) Espesor de pieza (mm) Ensayos a 140 ºC Ensayos a 160 ºC Extrapolación simple a 180 ºC Figura 6.32: Diagramas de espesores medios globales de las piezas obtenidas en ensayos a 140 ºC y 160 ºC según la variación del tiempo de calentamiento y extrapolación simple de espesores a 180 ºC. Las piezas rotomoldeadas a 140 ºC y con tiempos de calentamiento de 2400 s dispondrían así de similares configuraciones de espesores (valor medio de 1,84 mm) que las obtenidas en los ensayos a 160 ºC, siendo necesarias en éstas tan sólo 1250 s, lo que supone una reducción aproximada del 48% del tiempo de calentamiento. Considerando admisible la extrapolación de un hipotético ensayo a 180 ºC, los tiempos de calentamiento necesarios entonces se reducirían en un 69,2%. Aunque para mayores temperaturas los tiempos de calentamiento podrían estar limitados físicamente por los tiempos mínimos que los propios mecanismos de sinterización y densificación del material requirieran. Los análisis comparativos anteriores permiten confirmar la importancia que en la reducción del tiempo de ciclo global del rotomoldeo juega la temperatura de calentamiento, siendo el parámetro más determinante para la minimización de los tiempos de procesado de las piezas en las fases de calentamiento, al acelerar los procesos de sinterización y densificación del material. EXPOSICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS VI-231 A pesar de los comentarios anteriores, no se desea obviar los condicionantes fundamentales existentes en el moldeo rotacional que siempre relativizan los límites de las variables susceptibles de modificar para optimizar los gastos energéticos y de tiempo de procesado. Estos condicionantes son fundamentalmente las cualidades mecánicas y de acabados que sin lugar a dudas pueden limitar enormemente los tiempos mínimos de calentamiento, enfriamiento, cantidades de materiales o las temperaturas del proceso. 6.4.5. Variación de granulometría La granulometría del material en polvo utilizado para la fabricación de piezas mediante moldeo rotacional puede resultar de interés pues podrían influir en los procesos de sinterización y densificación. Se han seleccionado 3 ensayos con diferentes granulometrías de EVA, realizados a 140 ºC, 900 segundos de calentamiento, 300 s de enfriamiento y 70 g de carga de material EVA. En estas condiciones la única variable del proceso resulta ser la propia granulometría. Concretamente se han utilizado cargas de material en polvo 100% a 400 micrómetros (ensayo número 26), 100 % a 125 micrómetros (ensayo número 27) y se ha tomado el ensayo número 18, con granulometría general, como configuración estándar. 6.4.5.1. Resultados experimentales Las curvas obtenidas en los diferentes ensayos de este grupo de experimentación, correspondientes a las temperaturas de níquel y aceite térmico de calentamiento y enfriamiento, no muestran ninguna diferencia relevante entre los diferentes ensayos más allá de las mínimas variaciones que produce el propio sistema experimental. La granulometría del material no debe, en cualquier caso, afectar a dichos parámetros pues son prácticamente independientes de dicho factor. Sin embargo la granulometría puede incidir de forma importante en la configuración de la capa de material sinterizado, fundamentalmente en cuanto a espacios intersticiales producidos, la rapidez de sinterización, la porosidad de la pieza etc. En cuanto a las curvas de aire interior del molde (figura 6.33) aparecen resultados interesantes en los ensayos con grano grueso, correspondiente a 400 micrómetros. En dichos ensayos el comportamiento en la fase de sinterización resultó ser muy dispar respecto al resto de ensayos, los cuales guardan una concordancia similar entre sí. CAPÍTULO VI VI-232 El tamaño de los granos del material polimérico requiere de una mayor energía y tiempo de absorción de la misma para el inicio de la sinterización, lo cual, unido a la mayor cantidad de aire intersticial que se produce, genera una curva de gran horizontalidad en las temperaturas próximas a la fusión del material, que en términos de temperatura del aire interior del molde se ubican, para el EVA, en valores próximos a los 75 ºC. Este efecto produce una ralentización general del moldeo rotacional así como el descenso de las temperaturas máximas alcanzables, dada la más acusada fase de densificación del material. Curvas de ensayos con diferentes granulometrías a 140 ºC 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Aire granulometría 125 micrómetros Aire granulometría general Aire granulometría 400 micrómetros Figura 6.33: Diagramas de temperaturas de aire interior del molde en ensayos a 140 ºC con variación de granulometría del material polimérico. Por tanto, se establece la necesidad de disponer de granulometrías adecuadas, generalmente de mínimo tamaño de grano, que optimicen los procesos de sinterización y densificación del material debido a que, aunque en menor medida que otras variables estudiadas, producen efectos de cierta magnitud en las etapas de sinterización y densificación de las piezas en conformación. 6.4.6. Variación de carga de material polimérico Del conjunto de ensayos experimentales desarrollados y seleccionados en el presente trabajo de investigación, se encuentran como últimos ensayos los realizados EXPOSICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS VI-233 utilizando la carga de material polimérico como única variable. De esta forma y al igual que en grupos de ensayos anteriores, se mantiene la temperatura de calentamiento a 140 ºC. En cuanto al resto de parámetros del proceso de ensayo se ha aumentado la duración estándar del proceso de calentamiento, alcanzando 1500 s, respecto a los 900 s genéricos. Esta modificación se encuentra motivada por el hecho de utilizar en determinados ensayos cargas de 100 g de material EVA, por lo que se requieren mayores tiempos de ciclo para obtener curvas de aire interior totalmente desarrolladas, es decir, hasta alcanzar valores casi permanentes. De esta manera es posible analizar completamente los ensayos realizados. 6.4.6.1. Resultados experimentales Las curvas de temperaturas de aceite y níquel obtenidas en los diferentes ensayos de este grupo de experimentación no revelan ninguna información notable, al igual que en el grupo de ensayos anterior, mientras que las temperaturas de aire interior del molde vuelven a resultar de interés para un breve análisis comparativo. El ensayo tomado como base comparativa, correspondiente al de carga de material de 70 g, dispone de una curva de temperatura de aire interior ya analizada en otros grupos. Respecto a esta curva, cabe destacar comparativamente las obtenidas para cargas de 35 g y 100 g: • En el primer caso (35 g de carga de polímero), las velocidades de calentamiento son muy superiores al ensayo tomado como estándar, con 70 g de carga de material. Si bien en éste ensayo estándar se obtienen velocidades de 0,124 ºC/s en el intervalo de calentamiento comprendido entre 50 s y 250 s, en el caso de 35 g la velocidad alcanza valores superiores a los 0,3 ºC por segundo. Véase tabla 6.9. Este efecto corresponde de forma lógica a la menor cantidad de energía requerida al disponerse de menor cantidad de material polimérico, reduciéndose los espesores de capa de material finalmente generada y los efectos térmicos que ésta produce. • De modo contrario al caso anterior, la disposición de 100 g de material polimérico requiere de mayores cantidades de energía para su sinterización, lo cual se aprecia en las curvas de aire interior del molde como una ralentización para alcanzar la fase de densificación. Cabe destacar que las velocidades de incremento de temperatura CAPÍTULO VI VI-240 de salida (4 y 5). Es decir, existe una tendencia creciente de espesor desde los puntos 1 hasta el 5. d. Las caras inferiores disponen de una configuración de espesores diferente al patrón ascendente del resto de caras del apartado anterior. e. Las caras de entradas disponen de mayores espesores en todos los casos respecto a las caras de salida. f. En términos generales los espesores de las caras laterales izquierdas son superiores a las caras laterales derechas. La temperatura de la pared del molde resulta crucial, pues aquellas zonas de mayores temperaturas en las primeras fases del proceso de calentamiento producen un incremento, respecto del resto de partes, del material depositado. Por tanto, dichas zonas podrían ser fácilmente identificables mediante la colocación de un mayor número de termopares que los dispuestos en los ensayos experimentales. Por otra parte, el incremento de la temperatura general del molde y su duración en el proceso permite densificar el material en mayor medida, lo cual reduce de forma global los espesores obtenidos. Nótese en las curvas como dicho efecto de densificación varía los espesores de forma general en todas las caras y puntos medidos aunque el efecto de densificación pueda producirse en mayor o menor medida en función de las temperaturas de las distintas partes del molde que puedan ser desiguales. Para obtener una visión más clara de los efectos que pueden producir las afirmaciones anteriormente descritas se ha recurrido a los únicos datos disponibles relacionados con los espesores medidos, las temperaturas de dichos puntos en el molde electroconformado de níquel mediante los procesos de simulación, que se detallan en el siguiente apartado. 6.5.1.3. Temperaturas de molde obtenidas en procesos de simulación Las limitaciones de los aparatos de medida de la máquina experimental de rotomoldeo imposibilita la medición de temperaturas reales durante el proceso de diferentes puntos del molde, sólo disponiéndose los valores de la temperatura interior del aire, la temperatura del punto central del la cara de entrada del molde electroconformado de níquel y la temperatura de entrada del aceite térmico. Por lo tanto no se disponen de datos que caractericen en mayor medida las diferentes temperaturas puntuales o globales del molde (caras laterales, cara de salida, cara inferior o fondo, etc.) EXPOSICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS VI-241 Con el fin de intentar establecer una interrelación entre valores de temperaturas teóricas y espesores reales obtenidos se han calculado, a través de las simulaciones numéricas, los valores de temperatura correspondiente a los mismos puntos donde se han realizado las mediciones. Por otra parte, las herramientas informáticas disponibles sólo permiten realizar simulaciones del proceso de rotomoldeo en condiciones de vacío, sin material, por lo que establecer una relación entre espesores reales obtenidos y temperaturas reales o simuladas con material del molde resulta complicado. Para comprender aún más la complejidad para establecer esas relaciones espesor-temperatura con los datos disponibles, cabe recordar que los espesores de las piezas fabricadas corresponden al estado final de las mismas tras el ciclo completo de rotomoldeo, siendo más dificultoso aún determinar qué punto o rango temporal del proceso de rotomoldeo puede mantener una correlación real e inequívoca con el espesor final obtenido en cada pieza. Temperaturas a 120 s de tiempo de ciclo (ºC) Temperatura ensayo (ºC) Punto de medida cara de entrada cara izquierda Cara derecha cara de salida cara inferior global 1 96,66 92,90 92,19 87,76 116,83 97,27 2 113,08 112,48 112,36 109,81 116,15 112,77 3 113,23 111,37 110,87 109,33 116,15 112,19 4 113,05 110,80 109,98 110,55 115,92 112,06 120 5 116,29 115,33 114,82 114,28 115,68 115,28 1 101,27 95,11 93,99 86,50 134,81 102,34 2 128,55 127,57 127,38 123,26 133,73 128,10 3 128,79 125,77 124,97 122,44 133,73 127,14 4 128,50 124,83 123,55 124,44 133,35 126,93 140 5 133,90 132,36 131,52 130,70 132,99 132,29 1 89,19 82,15 80,89 72,58 124,09 89,78 2 119,33 117,40 117,22 108,27 120,45 116,53 3 119,46 113,60 112,30 106,92 119,38 114,33 4 119,18 111,72 109,41 110,59 118,61 113,90 160 5 123,99 119,22 116,58 114,29 117,53 118,32 Tabla 6.13: Temperaturas medias de los puntos en cada cara calculados mediante simulaciones numéricas realizadas a diferentes temperaturas en el momento temporal de 120 s. CAPÍTULO VI VI-242 La tabla 6.13 anterior, y a modo resumen la 6.14, muestran las temperaturas de los mismos puntos medidos en las diferentes piezas ensayadas y mostradas anteriormente, en el momento concreto del ciclo de 120 s a modo de ejemplo. Cabe reiterar lo expresado en el párrafo anterior, en cuanto a que dicho tiempo del proceso seleccionado no corresponde aún a ningún criterio en concreto que permite establecer una relación entre las temperaturas presentadas y los espesores finales obtenidos. Temperatura Temperatura media global Desviación típica Coeficiente de variación 120 109,91 8,23 7,49% 140 123,36 13,68 11,09% 160 110,57 14,02 12,68% Tabla 6.14: Valores estadísticos básicos de las temperaturas simuladas en el momento temporal de 120 s. Las gráficas 6.39, 6.40 y 6.41 representan los valores anteriormente expuestos en la tabla 6.13 para las correspondientes temperaturas de simulación de aceite térmico en fase de calentamiento de 120 ºC, 140 ºC y 160 ºC. Simulación numérica a 120 ºC a 120 s de tiempo de ciclo 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 130,0 140,0 150,0 0 1 2 3 4 5 6 Puntos de medición Temperaturas del molde electroconformado (ºC) Cara de entrada Cara derecha Cara izquierda Cara de salida Cara inferior Figura 6.39: Diagramas de temperaturas de los puntos medidos en cada cara del moldeo obtenidos mediante simulación numérica a 120 ºC. EXPOSICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS VI-243 Simulación numérica a 140 ºC a 120 s de tiempo de ciclo 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 130,0 140,0 150,0 0 1 2 3 4 5 6 Puntos de medición Temperaturas del molde electroconformado (ºC) Cara de entrada Cara derecha Cara izquierda Cara de salida Cara inferior Figura 6.40: Diagramas de temperaturas de los puntos medidos en cada cara del moldeo obtenidos mediante simulación numérica a 140 ºC. Simulación numérica a 160 ºC a 120 s de tiempo de ciclo 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 130,0 140,0 150,0 0 1 2 3 4 5 6 Puntos de medición Temperaturas del molde electroconformado (ºC) Cara de entrada Cara derecha Cara izquierda Cara de salida Cara inferior Figura 6.41: Diagramas de temperaturas de los puntos medidos en cada cara del moldeo obtenidos mediante simulación numérica a 160 ºC. Los cálculos numéricos disponen de configuraciones de temperaturas muy semejantes entre sí salvando las diferencias de temperaturas existentes entre ensayo. A pesar de ello, puede observarse como en todas las caras calculadas, las temperaturas de CAPÍTULO VI VI-244 los puntos numerados como 1 disponen de las menores cotas de temperatura, al estar dicho punto situado en las zonas más próximas a la tapa, y por tanto, de menor flujo calorífico. El resto de puntos intermedios, puntos 2, 3 y 4, disponen de valores muy semejantes entre sí en cada cara, indicando una gran uniformidad del proceso al menos de forma teórica. Los puntos finales correspondientes a la numeración 5 representan los valores más próximos a la cara inferior o de fondo del molde, donde se producen las mayores temperaturas alcanzadas. Tal y como se había expuesto en los primeros procesos de cálculos numéricos y simulaciones, el flujo de aceite térmico en las configuraciones de entrada y salidas del molde seleccionadas para su fabricación producían una ligera mayor temperatura en las partes inferiores del molde. Sin embargo, la mayor parte de este efecto se encuentra originado por la asimetría horizontal del molde, ya que la cara superior del mismo se encuentra asilada térmicamente, al no disponerse como una cara activa del molde sino como la entrada de material y salida de la pieza fabricada. Por el contrario, la cara inferior del molde es totalmente activa, por lo que el flujo calorífico del proceso queda descentrado hacia la parte inferior del molde. Este efecto queda constatado teóricamente mediante las curvas de temperaturas de las caras inferiores del molde de las gráficas anteriores. Respecto a los patrones encontrados en los resultados de los espesores de las piezas rotomoldeadas, los resultados teóricos simulados pueden aportar puntos de vista interesantes y diversos tales como los siguientes: a. Las mayores temperaturas globales en todas las partes del molde obtenidas en las simulaciones confirman que el incremento de la temperatura de calentamiento produce una mayor densificación del material de forma global en toda la pieza reduciendo así su espesor final en todos los casos ensayados. b. Todas las simulaciones realizadas ratifican la menor temperatura global de la cara de salida del molde respecto al resto de caras. Esto produce menores espesores de pieza en la misma al disminuirse la adhesión del material en polvo en dichas zonas respecto del resto de caras que disponen de mayor temperatura. Con lo cual puede corroborarse los efectos reales detectados en la medición de espesores mediante las curvas teóricas del proceso. EXPOSICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS VI-245 c. De forma similar a los resultados de los espesores medidos en las piezas rotomoldeadas, las curvas de temperatura confirman cómo dicha temperatura se incrementa desde los puntos próximos a la parte superior y de entrada del molde (1 y 2) hasta los más próximos a la zona inferior y de salida (4 y 5). Es decir, existe una tendencia creciente de espesor desde los puntos 1 hasta el 5 de forma correlacionada con los espesores obtenidos y en términos generales, pues existen limitados valores que no cumplen con dicha afirmación. d. Las caras inferiores disponen de una configuración de espesores diferente al patrón ascendente del resto de caras del apartado anterior. Esto puede concordar en cierta forma con la configuración de temperaturas de las caras inferiores en los cálculos numéricos, que muestran cómo a diferencia del resto de caras, las temperaturas de las caras inferiores son superiores a aquéllas y prácticamente uniformes entre los diferentes puntos de referencia. Sin embargo no disponen de una configuración similar a los datos obtenidos en los ensayos, existiendo pues una importante variabilidad de los resultados y una mínima correlación. e. En todas las simulaciones realizadas se disponen de mayores temperaturas en todos los casos en las caras de entradas respecto a las de salida, lo cual reafirma la obtención de mayores espesores en dichas caras. f. Finalmente, las temperaturas de las caras laterales obtenidas en los procesos numéricos son muy similares entre sí, a diferencia de los espesores detectados, por lo que los efectos de dicha variabilidad entre caras laterales de espesores pueda obedecer a la influencia del movimiento a derechas del molde y/o a imprecisiones en la fabricación del molde de forma que produzcan diferencias térmicas reales mayores entre dichas caras. Estas imprecisiones pueden darse por la distorsión de los canales del distribuidor, holguras en los canales envolventes, diferencia de espesores de la cavidad electroconformada de níquel, etc. Como conclusión parcial de las consideraciones planteadas anteriormente, los datos obtenidos mediante los ensayos experimentales en forma de espesores de pieza pueden considerarse correlacionados de forma general con los datos iniciales establecidos en los procesos de simulación numérica que sirvieron de base para el desarrollo y ejecución del molde prototipo real. CAPÍTULO VI VI-246 6.5.1.4. Correlación de espesores de pieza y temperaturas procedentes de cálculos numéricos Los resultados expuestos tanto de espesores medidos como de distribución de temperaturas obtenidas mediante simulación numérica quedan referidos a las mismas condiciones de ensayo (reales o teóricas) y a los mismos puntos de medición, por lo que es posible estudiar comparativamente ambos conjuntos de resultados entre sí y determinar las posibles correlaciones que pudieran existir. Dado que las temperaturas simuladas y los espesores medidos se encuentran a escala numérica diferente, se ha procedido a escalar estos últimos de forma que, en términos globales, el valor medio de los espesores y el de las temperaturas simuladas sean iguales en cada cara. De esta forma, y escalando los espesores mediante los factores correspondientes a la tabla 6.15, se puede representar las diferentes curvas de espesores y temperaturas, tal y como se muestra en la figura 6.42 (temperaturas y ensayos a 140 ºC). Temperatura de simulación numérica a 120 s y espesores medios escalados a 140 ºC 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 130,0 140,0 150,0 0 1 2 3 4 5 6 Puntos de medición Temperaturas del molde electroconformado (ºC) Cara de entrada simulación Cara derecha simulación Cara izquierda simulación Cara de salida simulación Cara inferior simulación Cara de entrada ensayo Cara derecha ensayo Cara izquierda ensayo Cara de salida ensayo Cara inferior ensayo Figura 6.42: Diagramas de temperaturas de los puntos calculados en cada cara del molde, obtenidos mediante simulación numérica a 120 s, y espesores escalados obtenidos en las mediciones de piezas. Ambos casos a 140 ºC. Factores de escala cara de entrada cara izquierda cara derecha cara de salida cara inferior 47,33 42,90 44,57 50,16 48,26 Tabla 6.15: Factores de escala globales aplicados a los espesores medios. Temperaturas de simulación numérica a 120 s. EXPOSICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS VI-247 Para un mayor detalle se han representado de forma independiente las diferentes curvas de temperaturas y espesores de cada cara del molde y pieza rotomoldeada. Figuras 6.43, 6.44, 6.45, 6.46 y 6.47. Todos los datos comparados presentan bajas correlaciones entre sí, lo que hace no garantizar la interrelación lineal o proporcional de los diferentes grupos de datos. Los datos correspondientes de la cara de entrada muestran correlaciones similares en los puntos 2, 4 y 5, mientras que los puntos 1 y 3 difieren en mayor medida. En cambio, y exceptuando los puntos 1, las caras laterales derecha e izquierda disponen de relación próximas entre datos, existiendo en ambos casos una configuración a partir de los puntos 2 muy similar, concordando las curvas. Las curvas de las caras de salida y cara inferior muestran valores muy dispares entre los diferentes grupos de datos (temperaturas y espesores escalados) siendo mínima la correspondencia entre estos. Temperatura de simulación numérica a 120 s y espesores medios escalados a 140 ºC 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 130,0 140,0 150,0 0 1 2 3 4 5 6 Puntos de medición Temperaturas del molde electroconformado (ºC) Cara de entrada simulación Cara de entrada ensayo Figura 6.43: Diagrama de temperatura de los puntos calculados en la cara de entrada del molde, obtenidos mediante simulación numérica a 120 s, y de espesores escalados obtenidos en las mediciones de piezas. Ambos casos a 140ºC. CAPÍTULO VI VI-248 Temperatura de simulación numérica a 120 s y espesores medios escalados a 140 ºC 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 130,0 140,0 150,0 0 1 2 3 4 5 6 Puntos de medición Temperaturas del molde electroconformado (ºC) Cara derecha simulación Cara derecha ensayo Figura 6.44: Diagrama de temperatura de los puntos calculados en la cara derecha del molde, obtenidos mediante simulación numérica a 120 s, y de espesores escalados obtenidos en las mediciones de piezas. Ambos casos a 140ºC. STemperatura de simulación numérica a 120 s y espesores medios escalados a 140 ºC 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 130,0 140,0 150,0 0 1 2 3 4 5 6 Puntos de medición Temperaturas del molde electroconformado (ºC) Cara izquierda simulación Cara izquierda ensayo Figura 6.45: Diagrama de temperatura de los puntos calculados en la cara izquierda del molde, obtenidos mediante simulación numérica a 120 s, y de espesores escalados obtenidos en las mediciones de piezas. Ambos casos a 140ºC. EXPOSICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS VI-249 Temperatura de simulación numérica a 120 s y espesores medios escalados a 140 ºC 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 130,0 140,0 150,0 0 1 2 3 4 5 6 Puntos de medición Temperaturas del molde electroconformado (ºC) Cara de salida simulación Cara de salida ensayo Figura 6.46: Diagrama de temperatura de los puntos calculados en la cara de salida del molde, obtenidos mediante simulación numérica a 120 s, y de espesores escalados obtenidos en las mediciones de piezas. Ambos casos a 140ºC. Temperatura de simulación numérica a 120 s y espesores medios escalados a 140 ºC 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 130,0 140,0 150,0 0 1 2 3 4 5 6 Puntos de medición Temperaturas del molde electroconformado (ºC) Cara inferior simulación Cara inferior ensayo Figura 6.47: Diagrama de temperatura de los puntos calculados en la cara inferior del molde, obtenidos mediante simulación numérica a 120 s, y de espesores escalados obtenidos en las mediciones de piezas. Ambos casos a 140ºC. CAPÍTULO VI VI-256 Figura 6.50: Imagen ampliada de cara inferior o fondo de pieza número 19, a 140 ºC y 5 minutos de calentamiento. Figura 6.51: Imagen ampliada de cara inferior o fondo de pieza número 18, a 140 ºC y 15 minutos de calentamiento. Figura 6.52: Imagen ampliada de cara inferior o fondo de pieza número 20, a 140 ºC y 25 minutos de calentamiento. EXPOSICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS VI-257 Figura 6.53: Imagen ampliada de cara inferior o fondo de pieza número 21, a 140 ºC y 40 minutos de calentamiento. El ensayo número 19, con tan sólo 5 minutos de calentamiento a 140 ºC produce una fluidificación y densificación mínima, existiendo gran cantidad de material mínimamente adherido a la pieza y grandes espacios entre granos de material, lo cual produce grandes rugosidades. Esto produce una imagen amorfa del material solidificado. El aumento del tiempo de calentamiento, también a 140 ºC, hasta valores de 15 minutos, según el ensayo número 18, reduce considerablemente los problemas anteriores produciendo mayores cotas de fluidificación y densificación en el material. Los gránulos de material en polvo se incrementan pero al ser visibles indican una baja consolidación del material entre sí. La pieza no se ha conformado de manera total y completa, siendo heterogénea su estructura interior. La imagen 6.52 correspondiente al ensayo 20 con 25 minutos de calentamiento muestra un siguiente paso en el proceso de conformación de la pieza al no identificarse los gránulos de material. En esta ocasión, se ha obtenido una pieza con gran homogeneidad y se identifica en ella por primera vez y claramente burbujas interiores de aire generadas durante la densificación del material. Finalmente, el ensayo número 21 con 45 minutos de calentamiento muestra una menor rugosidad que en ensayo anterior, una mayor homogeneidad y transparencia de la pieza aunque continúan existiendo grandes cantidades de burbujas de aire aunque más próximas a la superficie de la pieza. Como conclusión parcial se ha observado una concordancia entre los resultados numéricos expuestos en apartados anteriores con las características físicas de CAPÍTULO VI VI-258 densificación y solidificación de las piezas generadas. Los incrementos paulatinos de temperatura producen mayores cotas de homogeneizaciones, eliminación de aire y reducciones de rugosidades que son fácilmente reconocibles en las piezas generadas. Además cabe destacar que estas diferencias son más acusadas a menor temperatura de ensayo, como es el caso de las imágenes mostradas a 140 ºC, las cuales no son tan evidentes como las correspondientes a los ensayos a 160 ºC. 6.6.2. Efectos producidos por incremento de temperatura Las diferencias entre las piezas analizadas en el apartado anterior también son obtenidas de forma muy similar variando la temperatura del ensayo, y no la duración de la fase de calentamiento. Figura 6.54: Imagen ampliada de cara inferior o fondo de pieza número 18, a 140 ºC y 15 minutos de calentamiento. Imagen análoga a la figura 6.51. Figura 6.55: Imagen ampliada de cara inferior o fondo de pieza número 23, a 160 ºC y 15 minutos de calentamiento. EXPOSICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS VI-259 Los ensayos 18 y 23, correspondientes a las figuras 6.54 y 6.55, han sido realizados a diferentes temperaturas, 140 ºC y 160 ºC respectivamente, aunque manteniendo la duración de la fase de calentamiento invariable, 15 minutos. El efecto producido es equivalente al obtenido en los ensayos a 140 ºC pero con tiempos de calentamiento de 25 minutos, por ejemplo el ensayo número 20. Esto indica la importancia del incremento de la temperatura, de tal forma que un incremento de 20 ºC podría suponer, aunque de forma imprecisa, reducciones del tiempo de calentamiento en torno al 40%. Comparando los ensayos con mayor duración de calentamiento (40 minutos) a diferentes temperaturas, tales como los ensayos 21 y 25, a 140 ºC y 160 ºC respectivamente, se obtienen diferencias de rugosidades de gran importantes, así como una disminución de la cantidad y tamaño de las burbujas de aire. Dado que la duración de la fase de calentamiento en ambos ensayos es idéntica, queda de manifiesto la enorme eficacia del incremento de temperatura en cuanto a acabados y calidades de piezas. Figura 6.56: Imagen ampliada de cara inferior o fondo de pieza número 21, a 140 ºC y 40 minutos de calentamiento. Imagen análoga a la figura 6.53. Figura 6.57: Imagen ampliada de cara inferior o fondo de pieza número 25, a 160 ºC y 40 minutos de calentamiento. CAPÍTULO VI VI-260 Las imágenes correspondientes a la figura 6.58 inciden en la importancia de la temperatura de calentamiento. En las mismas pueden observarse una mejora de la rugosidad y minimización de las burbujas de aire interior en el caso de un mayor tiempo de calentamiento (imagen derecha), aunque dicha mejora en menor grado comparativamente entre piezas a 160 ºC que a temperaturas inferiores, como las correspondientes a las figuras 6.52 y 6.53 a 140 ºC donde las diferencias son más relevantes. Figura 6.58: Imagen a tamaño real de cara inferior o fondo de piezas número 24 a 160 ºC y 25 minutos de calentamiento (izquierda) y pieza número 25, a 160 ºC y 40 minutos de calentamiento (derecha). 6.6.3. Efectos asociados a la granulometría y el peso del material La modificación de la granulometría del polímero o la carga de material producen modificaciones también analizadas en los apartados anteriores en función de las diferentes curvas de temperatura obtenidas. Dichos efectos también son perfectamente visibles en las piezas obtenidas. Tal es el caso de la figura 6.59 que muestra de forma ampliada la cara inferior de la pieza obtenida en el ensayo número 27, correspondiente a 140 ºC, 15 minutos de calentamiento, 70 g de material pero con material en polvo con tamaño de grano de 125 micras. EXPOSICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS VI-261 Figura 6.59: Imagen ampliada de cara inferior o fondo de piezas número 27 a 140 ºC y 15 minutos de calentamiento. La incorporación como material de carga de polímero EVA con grano en polvo de 125 micras produce unos efectos notables, estos son una reducción significativa de la rugosidad, gran homogeneizad de la pieza, buena fluidificación e incluso densificación elevada, comparable con los ensayos a 160 ºC con máxima duración de calentamiento, 40 minutos. Un bajo micraje puede llegar a producir problemas de baja fluidez, entre otros, [2], sin embargo y dado su menor tamaño, permiten una menor acumulación de aire intergranular, lo cual beneficia en gran medida la obtención de buenas calidades de piezas y amplios rangos de densificación. Por lo tanto, debe tomarse vital importancia en la selección de una granulometría adecuada según las aplicaciones y cualidades que se requieran a las piezas en los procesos de rotomoldeo. En cuanto a la carga de material, resulta menos controlable dicho factor pues quedará determinado según los espesores de pieza y tamaños de las mismas que se requiera. Por otra parte, resulta evidente la importancia de dicha variable pues mayores cantidades de material requerirán mayores tiempos y/o temperaturas de proceso para producir los procesos de solidificación y densificación en iguales condiciones que piezas de menores magnitudes o cargas de material. Capítulo VII ESTUDIO ENERGÉTICO COMPARATIVO ENTRE EL PROCESO DESARROLLADO Y PROCESOS CONVENCIONALES DE ROTOMOLDEO ESTUDIO ENERGÉTICO COMPARATIVO ENTRE EL PROCESO DESARROLLADO Y PROCESOS CONVENCIONALES DE RO TOMOLDEO VII-265 7. ESTUDIO ENERGÉTICO COMPARATIVO ENTRE EL PROCESO DESARROLLADO Y PROCESOS CONVENCIONALES DE ROTOMOLDEO 7.1. INTRODUCCIÓN Los procesos convencionales de rotomoldeo, y por tanto, los más generalizados a nivel industrial, se encuentran basados en el calentamiento del molde mediante la convección forzada de aire a alta temperatura. Dichos procesos están caracterizados por un excesivo consumo energético, y consecuentemente, una baja eficiencia energética. Estos aspectos son los precursores de algunas de las actuales líneas de investigación en el campo del moldeo rotacional. Michael J. Wright et al. [1] han determinado de forma aproximada la distribución de la energía aportada en estos procesos convencionales de rotomoldeo, afirmando que tan sólo el 1% de la energía es finalmente absorbida por el polímero durante el proceso. Entre otros datos destacan la energía absorbida por los brazos soportes de los moldes, hasta un 49%, o la energía perdida mediante los gases de combustión, un 25%. Este estudio, así como los datos reales de máquinas industriales, avala la necesidad de la investigación y desarrollo de nuevos moldes y procesos de rotomoldeo, tanto desde el punto de vista económico como medioambiental. En el presente capítulo, y a partir de los datos y análisis expuestos en los capítulos anteriores, se estudiará, una vez más de forma comparativa, los procesos de molde rotacional convencionales y el proceso de rotomoldeo mediante el molde prototipo desarrollado en este trabajo de investigación. Dicho análisis se encuentra enfocado fundamentalmente desde el punto de vista energético y a partir de un conjunto de condiciones de ensayo análogas que permitan el contraste de datos. De forma inicial se expondrán los datos y condiciones básicas de los ensayos y/o datos disponibles, establecidos para cada proceso de rotomoldeo objeto de estudio, con el fin de validar los mismos así como su completa y correcta idoneidad para el estudio que se ha llevado a cabo. CAPÍTULO VII VII-272 Temperaturas de ensayos experimentales y de simulación numérica en horno a 300 ºC 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura de aire interior ensayo ciclo 1 Temperatura de aire interior ensayo ciclo 2 Temperatura de aire interior ensayo ciclo 3 Temperatura de aire interior simulación ciclo 1 Temperatura de aire interior simulación ciclo 2 Temperatura de aire interior simulación ciclo 3 Figura 7.2. Curvas experimentales de ensayo sin carga de material y simulaciones numéricas, ambos casos de rotomoldeo convencional mediante horno. Los procesos de simulación, y los resultados obtenidos a través de ellos, se consideran pues validados, tras su contraste con los datos experimentales, permitiendo obtener, mediante nuevas simulaciones numéricas, datos aproximados en otras condiciones de temperaturas y tamaños de moldes, manteniendo el resto de parámetros del horno invariables. 7.4. CARACTERIZACIÓN DE PROCESOS CONVENCIONALES DE ROTOMOLDEO MEDIANTE FLUIDOS TÉRMICOS Los procesos de rotomoldeo actualmente existentes que utilizan aceite térmico, a los cuales se les ha denominado procesos convencionales mediante fluidos térmicos, se caracterizan, tal y como se ha expresado en capítulos anteriores, por el uso de moldes análogos a los empleados en rotomoldeo mediante hornos así como por el uso de canales externos a dichos moldes por los que discurre el fluido térmico. Sobre estos procesos existen diversas investigaciones, tales como las realizadas por Michael J Wright y Roy Crawford [4] o Jared A. Sunday [5] donde se pone de manifiesto las ventajas de ahorro energético y de tiempo de ciclo obtenidas por el uso de fluidos térmicos introducidos en el molde. Sin embargo, la complejidad y el coste de los moldes sigue siendo una limitación importante de estos desarrollos. ESTUDIO ENERGÉTICO COMPARATIVO ENTRE EL PROCESO DESARROLLADO Y PROCESOS CONVENCIONALES DE RO TOMOLDEO VII-273 Por otra parte, aún existiendo fabricantes que desarrollan y comercializan máquinas de rotomoldeo convencionales de calentamiento por aceite, como el fabricante Persico spA [6], los datos disponibles de este tipo de procesos son muy limitados. Por tanto, la caracterización de estos procesos convencionales mediante empíricos y en las condiciones de base establecidas anteriormente resulta compleja, fundamentalmente para el estudio comparativo que se desea realizar. Por tanto, los análisis de estas tecnologías se continuarán realizando mediante los análisis numéricos desarrollados en este trabajo de investigación, teniendo en cuenta que la fiabilidad de los mismos ha sido contrastada con datos empíricos en diferentes condiciones y procesos quedando totalmente validados. La modelización y simulación numérica de esta tecnología, necesarias en cuanto a la obtención de resultados para el estudio comparativo entre tecnologías, corresponderá a la desarrollada en el apartado 3.6 “Análisis de molde de rotomoldeo de aceite convencional” del capítulo III y según los parámetros básicos establecidos en el apartado 7.2 del presente capítulo. Cabe recordarse que el molde convencional de aceite térmico se configura con dos canales exteriores al molde, el cuál se encuentra conformado en aluminio con un espesor de 5 mm. 7.5. CARACTERIZACIÓN DE PROCESOS DE ROTOMOLDEO MEDIANTE MOLDE PROTOTIPO 7.5.1. Datos disponibles del proceso de rotomoldeo mediante molde prototipo Los procesos de rotomoldeo realizados mediante la máquina de ensayo experimental y el molde prototipo desarrollados, ya detallados en capítulos anteriores, han requerido los siguientes consumos energéticos principales: • Consumo eléctrico medio de 0,65 kW del baño termostático, para el sostenimiento de 140 ºC como temperatura máxima de calentamiento. • Consumo eléctrico medio del motor de accionamiento de la bomba de recirculación de aceite de 0,38 kW/h. Estos datos corresponden a los valores medios obtenidos a partir del conjunto de ensayos realizados para el molde prototipo, de dimensiones interiores de 100 mm x 100 mm x 100 mm, temperaturas de proceso de calentamiento de 140 ºC, y según las restantes características establecidas en el apartado 6.2 y sucesivos del capítulo VI. CAPÍTULO VII VII-274 7.5.2. Modelización y simulación numérica del proceso de rotomoldeo mediante molde prototipo El molde prototipo desarrollado ha quedado suficientemente caracterizado tanto mediante los procesos de simulación numérica como a partir de los resultados experimentales obtenidos en los ensayos realizados. Sin embargo, todas estas consideraciones quedan limitadas a las temperaturas máximas a las que ha sido posible exponer el proceso, así como a la geometría del molde. Parámetros ambos que no corresponden con los datos reales disponibles, por ejemplo, de los procesos convencionales de calentamiento mediante convección de aire en hornos. Por otra parte, los ensayos experimentales del molde prototipo dispone de efectos reales de pérdidas de calor que no serán considerados o modelados en los otros procesos de rotomoldeo a estudiar dada su complejidad (pérdidas de calor en brazos soporte, partes externas del horno, fugas de aire caliente,…), por lo que estos procesos estarán en ventaja respecto a los resultados experimentales del prototipo. Por todo ello, los procesos de modelización y simulación numéricos vuelven a jugar un papel fundamental al permitir extrapolar los datos obtenidos a otras condiciones diferentes, tales como mayores temperaturas de proceso o geometrías de molde diferentes, así como establecer en todos los casos las mismas condiciones iniciales y condiciones externas, concretamente condiciones adiabáticas, entre otras. 7.6. ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE TECNOLOGÍAS, PARA MOLDES CÚBICOS DE 100 MM DE LADO Y 140 ºC DE TEMPERATURA MÁXIMA DE CALENTAMIENTO Tras la modelización y simulación numérica de todas las tecnologías que se pretende estudiar, y bajo las mismas condiciones básicas, se obtiene un conjunto de resultados que permiten el análisis comparativo entre sí. Así pues, las figuras 7.3 y 7.4 muestran las curvas de los parámetros principales de los 3 procesos establecidos, concretamente las temperaturas de la cara frontal del molde y las temperaturas interiores del molde, en cada caso estudiado. Los resultados mostrados en la primera imagen identifican inicialmente una mayor velocidad de la fase de calentamiento del molde en el caso del molde prototipo desarrollado, a diferencia de los otros dos procesos de rotomoldeo. Este efecto resulta similar analizando la temperatura interior del aire de los moldes, aunque en menor medida. ESTUDIO ENERGÉTICO COMPARATIVO ENTRE EL PROCESO DESARROLLADO Y PROCESOS CONVENCIONALES DE RO TOMOLDEO VII-275 En cuanto al proceso de enfriamiento, y sin considerar la pulverización de agua fácilmente realizado en los procesos de convección de aire, el molde prototipo continúa disponiendo de una mayor ventaja respecto al resto, así como del molde de canales exteriores respecto al de horno. Temperatura media de caras de entrada de flujo en moldes. Aceite 0,06 l/s a 140ºC. Horno a 6 m3/h a 140ºC. 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura de molde de aluminio en horno simulado Temperatura de molde de níquel de prototipo simulado Temperatura de molde de aluminio de canales simulado Figura 7.3. Curvas de temperatura media de la cara frontal del molde obtenidas mediante simulación numérica de las 3 tecnologías de rotomoldeo en estudio. Temperaturas de aire del punto central interior de moldes. Aceite 0,06 l/s a 140ºC. Horno a 6 m3/h a 140ºC. 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura de aire interior de molde de aluminio en horno simulado Temperatura de aire interior de molde de níquel de prototipo simulado Temperatura de aire interior de molde de aluminio de canales simulado Figura 7.4. Curvas de temperatura de aire interior del molde obtenidas mediante simulación numérica de las 3 tecnologías de rotomoldeo en estudio. CAPÍTULO VII VII-276 Desde una visión más real, es posible analizar las curvas anteriores considerando “truncado” el proceso de calentamiento al alcanzar una temperatura de consigna deseada. Considerando pues una temperatura máxima deseada de 130 ºC en el interior de los moldes, es posible obtener un ciclo más ajustado, cuya etapa de enfriamiento se inicia al alcanzar la temperatura consignada. De esta manera las curvas de procesos quedan según las figuras 7.5 y 7.6. Temperatura media de caras de entrada de flujo en moldes. Aceite 0,06 l/s a 140ºC. Horno a 6 m3/h a 140ºC. 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura de molde de aluminio en horno simulado Temperatura de molde de níquel de prototipo simulado Temperatura de molde de aluminio de canales simulado Figura 7.5. Curvas de temperatura media de la cara frontal del molde, limitadas a 130 ºC, obtenidas mediante simulación numérica de las 3 tecnologías de rotomoldeo en estudio. Temperaturas de aire del punto central interior de moldes. Aceite 0,06 l/s a 140ºC. Horno a 6 m3/h a 140ºC. 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura de aire interior de molde de aluminio en horno simulado Temperatura de aire interior de molde de níquel de prototipo simulado Temperatura de aire interior de molde de aluminio de canales simulado Figura 7.6. Curvas de temperatura de aire interior del molde, limitadas a 130 ºC, obtenidas mediante simulación numérica de las 3 tecnologías de rotomoldeo en estudio. ESTUDIO ENERGÉTICO COMPARATIVO ENTRE EL PROCESO DESARROLLADO Y PROCESOS CONVENCIONALES DE RO TOMOLDEO VII-277 Las nuevas curvas obtenidas permiten analizar con mayor claridad las amplias diferencias de los procesos de rotomoldeo comparados, además de analizar de forma eficaz y ajustada a la realidad, la reducción del tiempo de ciclo que puede obtenerse. Respecto a estas reducciones, las tablas 7.2 y 7.3 muestran los tiempos de ciclo de la etapa de calentamiento de cada proceso en función de la temperatura máxima deseada: Tiempo de calentamiento requerido (s) Temperatura de consigna (ºC) Rotomoldeo convencional mediante horno Rotomoldeo prototipo mediante fluido térmico Rotomoldeo convencional mediante fluido térmico 95 92,11 55,40 108,62 100 107,65 64,08 124,20 105 124,87 74,05 141,51 110 146,40 84,01 160,79 115 168,97 96,44 182,51 120 194,74 112,57 209,27 125 229,32 135,07 244,61 130 287,16 172,34 294,42 Tabla 7.2. Tiempos de calentamiento requeridos en función de la temperatura de aire interior del molde deseada para los 3 procesos de rotomoldeo en estudio. De igual forma, la tabla 7.3 muestra el tiempo de ciclo completo, incluyendo la fase de enfriamiento, la cual se considera finalizada al alcanzar una temperatura de referencia de 91ºC. Nótese que dicha temperatura corresponde a la mínima alcanzada en las simulaciones del proceso de rotomoldeo convencional por horno, sin considerar la pulverización de agua en estos procesos. Tiempo de ciclo completo requerido (s) Temperatura de consigna (ºC) Rotomoldeo convencional mediante horno Rotomoldeo prototipo mediante fluido térmico Rotomoldeo convencional mediante fluido térmico 95 133,01 63,40 124,43 100 192,87 81,61 158,72 105 249,59 98,79 191,70 110 305,54 115,97 226,34 115 358,95 135,61 261,60 120 412,87 158,95 301,90 125 473,43 195,35 351,92 130 574,95 246,51 416,48 Tabla 7.3. Tiempos de ciclo completo requeridos en función de la temperatura de aire interior del molde deseada y hasta alcanzar 91ºC de enfriamiento, para los 3 procesos de rotomoldeo en estudio. Con el objetivo de establecer un valor cuantitativo del ahorro en el tiempo de ciclo global que es posible alcanzar mediante el molde prototipo desarrollado y respecto a las otras dos tecnologías convencionales, se muestra en la tabla 7.4 los valores porcentuales CAPÍTULO VII VII-278 de reducción de tiempo de ciclo. Según estos, sería posible reducir el tiempo de ciclo en un máximo de 62,22%, en los procesos convencionales mediante horno, para alcanzar una temperatura de aire en el interior del molde de 115ºC y enfriar el mismo hasta 91ºC. En los moldes convencionales de aceite y en estas condiciones de temperaturas, la reducción del tiempo de ciclo alcanzaría valores superiores al 48%. Reducción del tiempo de ciclo completo del molde prototipo desarrollado (%) Temperatura de consigna (ºC) Rotomoldeo convencional mediante horno Rotomoldeo convencional mediante fluido térmico 95 52,34% 49,05% 100 57,68% 48,58% 105 60,42% 48,47% 110 62,04% 48,76% 115 62,22% 48,16% 120 61,50% 47,35% 125 58,74% 44,49% 130 57,13% 40,81% Tabla 7.4. Reducción del tiempo de ciclo completo del molde prototipo desarrollado respecto a los moldes convencionales, en función de la temperatura de aire interior del molde deseada y hasta alcanzar 91 ºC de enfriamiento. Considerando ahora una temperatura de enfriamiento de 70 ºC, las tablas 7.5 y 7.6 muestran los tiempos de ciclo y porcentajes de reducción en los diferentes procesos, exceptuando los correspondientes al rotomoldeo convencional mediante hornos, los cuales dispondrían de valores enormemente superiores al no considerar los efectos del enfriamiento mediante agua pulverizada. En cualquier caso, los valores de este sistema son semejantes a los obtenidos en el molde convencional mediante fluido térmico (de canales). Las reducciones de ciclo son ligeramente inferiores aunque igualmente significativas. Tiempo de ciclo completo requerido (s) Temperatura de consigna (ºC) Rotomoldeo prototipo mediante fluido térmico Rotomoldeo convencional mediante fluido térmico 95 144,73 272,44 100 162,95 306,73 105 180,13 339,71 110 197,31 374,35 115 216,95 409,60 120 240,28 449,91 125 276,68 499,93 130 327,84 564,49 Tabla 7.5. Tiempos de ciclo completo requeridos en función de la temperatura de aire interior del molde deseada y hasta alcanzar 70 ºC de enfriamiento, para los procesos de rotomoldeo en molde prototipo y convencional, ambos mediante fluido térmico. ESTUDIO ENERGÉTICO COMPARATIVO ENTRE EL PROCESO DESARROLLADO Y PROCESOS CONVENCIONALES DE RO TOMOLDEO VII-279 Reducción del tiempo de ciclo completo del molde prototipo desarrollado (%) Temperatura de consigna (ºC) Rotomoldeo convencional mediante fluido térmico 95 46,88% 100 46,88% 105 46,98% 110 47,29% 115 47,04% 120 46,59% 125 44,66% 130 41,92% Tabla 7.6. Reducción del tiempo de ciclo completo del molde prototipo desarrollado respecto al molde convencional de fluido térmico, en función de la temperatura de aire interior del molde deseada y hasta alcanzar 70 ºC de enfriamiento. Finalmente, en la imagen 7.7 se muestran las curvas anteriormente expuestas, de los procesos de rotomoldeo estudiados y la reducción de tiempo de ciclo obtenida para calentamientos hasta 130 ºC y enfriamientos hasta 70 ºC. Temperaturas de aire del punto central interior de moldes. Aceite 0,06 l/s a 140ºC. Horno a 6 m3/h a 140ºC. 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura de aire interior de molde de aluminio en horno simulado Temperatura de aire interior de molde de níquel de prototipo simulado Temperatura de aire interior de molde de aluminio de canales simulado 564,49 s327,84 s Reducción del 41,92% 246,51 s 574,95 s Reducción del 57,13% Figura 7.7. Curvas de temperatura de aire interior del molde, limitadas a 130 ºC, obtenidas mediante simulación numérica de las 3 tecnologías de rotomoldeo en estudio con marcas de referencia de tiempos de ciclo. Es posible establecer como conclusión previa de este análisis comparativo a 140 ºC, que la configuración del molde prototipo, el cual se encuentra basado en la incorporación de una cavidad electroconformada de níquel de tan solo 1 mm de espesor y en el calentamiento mediante aceite térmico de forma envolvente a las partes activas del molde (estas son toda la caras del molde que producirán pieza polimérica en su interior), permite CAPÍTULO VII VII-280 un ahorro muy considerable del tiempo de procesado, lo cual a su vez incide en una reducción energética de gran interés que será valorado en posteriores apartados. 7.7. ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE TECNOLOGÍAS, PARA MOLDES CÚBICOS DE 100 MM DE LADO Y 300ºC DE TEMPERATURA MÁXIMA DE CALENTAMIENTO Los análisis anteriormente expuestos resultan muy concluyentes, sin embargo, las consideraciones de temperatura máxima de calentamiento establecidas, de 140 ºC, resultan lejanas a las realmente alcanzables en procesos industriales. Es por ello que resulta de interés realizar un análisis similar, aunque más breve, de los resultados que cabrían esperar de forma aproximada si se trabajase a una temperatura de calentamiento de 300ºC, aunque las limitaciones reales de los fluidos térmicos solo permitan alcanzar temperaturas próximas a ésta, generalmente más que suficientes para los procesos de moldeo rotacional. De forma general y tal como muestran las figuras 7.8 y 7.9, el aumento de temperatura de los procesos de moldeo rotacional simulados en las 3 configuraciones incrementan las diferencias del molde prototipo respecto a los dos convencionales. Las velocidades de calentamiento y enfriamiento siguen siendo muy superiores, lo que permite alcanzar mayores temperaturas en menores tiempos, y por tanto importantes reducciones en el tiempo de ciclo. Temperatura media de caras de entrada de flujo en moldes. Aceite 0,06 l/s a 300ºC. Horno a 6 m3/h a 300ºC. 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura de molde de aluminio en horno simulado Temperatura de molde de níquel de prototipo simulado Temperatura de molde de aluminio de canales simulado Figura 7.8. Curvas de temperatura media de la cara frontal del molde obtenidas mediante simulación numérica de las 3 tecnologías de rotomoldeo en estudio, a 300 ºC de calentamiento. ESTUDIO ENERGÉTICO COMPARATIVO ENTRE EL PROCESO DESARROLLADO Y PROCESOS CONVENCIONALES DE RO TOMOLDEO VII-281 Temperaturas de aire del punto central interior de moldes. Aceite 0,06 l/s a 300ºC. Horno a 6 m3/h a 300ºC. 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura de aire interior de molde de aluminio en horno simulado Temperatura de aire interior de molde de níquel de prototipo simulado Temperatura de aire interior de molde de aluminio de canales simulado Figura 7.9. Curvas de temperatura de aire interior del molde obtenidas mediante simulación numérica de las 3 tecnologías de rotomoldeo estudio, a 300 ºC de calentamiento. Al igual que en el análisis realizado a 140 ºC, es posible establecer una temperatura máxima del aire interior del molde que permita finalizar el calentamiento y comenzar el enfriamiento. Estableciendo una temperatura máxima interior de aire aproximada de 275 ºC, considerada a modo de ejemplo como óptima para un hipotético proceso de rotomoldeo, se dispondrían de las curvas de las figuras 7.10 y 7.11 correspondientes a las temperaturas medias de la cara frontal y del aire interior de los moldes, respectivamente. Temperatura media de caras de entrada de flujo en moldes. Aceite 0,06 l/s a 300ºC. Horno a 6 m3/h a 300ºC. 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura de molde de aluminio en horno simulado Temperatura de molde de níquel de prototipo simulado Temperatura de molde de aluminio de canales simulado Figura 7.10. Curvas de temperatura media de la cara frontal del molde, limitadas a 275 ºC, obtenidas mediante simulación numérica de las 3 tecnologías de rotomoldeo en estudio. CAPÍTULO VII VII-288 Las velocidades de calentamiento y enfriamiento influyen en la configuración de las uniformidades del molde. Velocidades elevadas producirán mayores picos de baja uniformidad aunque ligeramente menor intervalo de tiempo, más localizadas aún en las fases iniciales del proceso. Con velocidades inferiores se producen efectos prácticamente contrarios. Los efectos producidos a una temperatura de calentamiento de 300 ºC puede observarse en la figura 7.13. El incremento sustancial de la temperatura produce inequívocamente una mayor diferencia de temperaturas en el molde, fundamentalmente en los moldes mediante calentamiento por fluido térmico. Las uniformidades del proceso convencional mediante horno siguen siendo óptimas, así como la mejor uniformidad del molde prototipo respecto al molde convencional de canales exteriores. Coeficiente de variación de uniformidad térmica. Aceite 0,06 l/s a 300ºC. Horno 6 m3/s a 300ºC 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,2 0,21 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Tiempo de ciclo (s) Coeficiente de variación (desviación ºC/media ºC) Coeficiente de variación de molde de aluminio en horno simulado Coeficiente de variación de molde de níquel de prototipo simulado Coeficiente de variación de molde de aluminio de canales simulado Figura 7.13. Curvas de coeficiente de variación de uniformidad térmica obtenidas en procesos de simulación numérica a 300 ºC, de las 3 tecnologías de rotomoldeo en estudio. A pesar de los resultados obtenidos, resulta necesario contextualizar las diferencias observadas en cuanto a uniformidad térmica. Según la definición establecida para el coeficiente de variación, para una temperatura media, en un instante dado del proceso, de 100 ºC, un coeficiente de variación de 0,05 corresponde de forma teórica a una variación media de las diferentes temperaturas del molde de 5 ºC, lo cual corresponde a un 5% de la temperatura en dicho instante. En el caso concreto de los resultados obtenidos en el molde prototipo, a los 120 segundos del inicio de la fase de calentamiento la temperatura media del molde superó los 280 ºC, y con un coeficiente de variación de 2,83 · 10 -2 , es decir, un ESTUDIO ENERGÉTICO COMPARATIVO ENTRE EL PROCESO DESARROLLADO Y PROCESOS CONVENCIONALES DE RO TOMOLDEO VII-289 2,83% de la temperatura media. Esto implica una desviación media de la temperatura de 7,92 ºC respecto a 280 ºC. En el instante correspondiente a 150 s, el coeficiente de variación se situó en 1,31 · 10 -2 respecto a una temperatura media próxima a 291 ºC, lo que implica una menor desviación, de 3,81 ºC. Según lo expuesto anteriormente, sería necesario valorar qué desviaciones de temperaturas en el molde pueden considerarse aceptables durante las diferentes etapas del proceso de rotomoldeo, con el fin de evaluar la relevancia de estos efectos en la fabricación de las piezas, concretamente en la distribución de espesores de la misma. De esta forma, los resultados de uniformidad encontrados en el molde prototipo podría considerarse irrelevantes o secundarias, dada las mejoras en tiempo de ciclo, o por el contrario podrían ser de tal importancia que deba ser compensada en detrimento de otras mejoras conseguidas en el modelo. 7.8.3. Consideraciones finales de la uniformidad térmica entre tecnologías Las geometrías simples de molde en el moldeo rotacional, como sería el caso del molde cúbico establecido en este trabajo de investigación, permiten obtener altas uniformidades en los procesos convencionales de convección de aire en interior de hornos, dado que el molde es fácilmente accesible al aire de calefacción y refrigeración. Sin embargo, en geometrías complejas, existe mayor dificultad para establecer el mismo aporte calorífico a todas las zonas del molde, dado que las zonas más salientes o protuberantes se encontrarán más expuestas y por tanto con mayor capacidad de transferencia térmica. De forma contraria, las menos accesibles dispondrán de una menor temperatura de molde, con la que la uniformidad del proceso se vería empeorada, y consecuentemente la distribución interior de espesores de la pieza (figura 7.14). Figura 7.14. Distribución constante de espesor en el interior de un molde convencional (izquierda) y distribución variable de espesores (derecha) [6] CAPÍTULO VII VII-290 En dichas geometrías complejas, el calentamiento y/o enfriamiento mediante fluido térmico y de forma envolvente permitiría alcanzar mayores cotas de uniformidades con independencia de la geometría del molde. Finalmente, es posible mejorar sustancialmente la uniformidad del proceso en el molde prototipo desarrollado. Retomando los análisis realizados en el capítulo III, las configuraciones de mayores uniformidades correspondían a aquellas que disponían de entradas y salidas en varias caras activas del molde, aunque para el desarrollo del presente trabajo de investigación se tomase un modelo más simple, con entradas y salidas en caras únicas y opuestas, que permitieran una rápida y simple fabricación, y posterior experimentación. Por tanto, y en continuación a los desarrollos aquí expuestos, sería posible mejorar, en caso necesario, las uniformidades del molde prototipo, incorporando nuevas entradas y salidas de fluido térmico en otras zonas del molde, aunque deberían estudiarse en tal caso las velocidades de calentamiento y enfriamiento así como las nuevas condiciones de tiempo de ciclo que se podrían alcanzar. 7.9. ESTUDIO BÁSICO DE PRODUCCIÓN Y GASTOS ENERGÉTICOS Uno de los retos pendientes del moldeo rotacional radica en la optimización de la eficiencia energética, la cual dista en gran medida de las eficiencias de otros procesos de conformación de polímeros. Tomando como base las tecnologías convencionales de rotomoldeo mediante convección forzada de aire en hornos, es posible optimizar el gasto energético fundamentalmente mediante dos métodos interrelacionados: • Optimización del tiempo de ciclo • Optimización de la transferencia térmica del proceso Respecto a la primera opción, en igualdad de condiciones de gasto energético específico y condiciones de acabado de pieza, una reducción del tiempo de ciclo reduce de forma evidente el gasto energético global, y por tanto mejora la eficiencia. Por otra parte, la optimización de la transferencia térmica, permitiría la reducción del gasto energético obteniendo el mismo producto. Dicha optimización puede establecerse mediante la reducción de las pérdidas energéticas (focalización de los flujos caloríficos, mejoras en los aislamientos térmicos,…), la mejora de los factores que intervienen en dicha ESTUDIO ENERGÉTICO COMPARATIVO ENTRE EL PROCESO DESARROLLADO Y PROCESOS CONVENCIONALES DE RO TOMOLDEO VII-291 transferencia térmica (materiales de mayor conductividad, geometrías más eficientes, menores espesores de molde,…) o mediante la incorporación de nuevos elementos que produzcan efectos simultáneos de mejora, entre otros. 7.9.1. Cálculo de producción y gastos energéticos de las tecnologías estudiadas Los procesos de rotomoldeo analizados disponen de diferentes fuentes energéticas y procesos de transferencia térmica. Mientras que en un molde de convección por aire forzado se requiere principalmente de un quemador para elevar la temperatura del aire y de potentes soplantes para producir velocidades elevadas para los procesos convectivos, el molde prototipo, al igual que los convencionales de fluido térmico mediante canales, requieren de calefactores, baños termostáticos o elementos similares que eleven y mantengan, en este caso, la temperatura del aceite térmico, además de las bombas que recirculen el fluido. Respecto al molde convencional de convección por aire, el consumo de gas propano específico se ha estimado a partir de los datos disponibles según M.J. Wright, A.G. Spence, y R.J. Crawford [1] y las especificaciones técnicas del fabricante de la máquina RS-160. El gasto medio del gas propano utilizado para el mantenimiento constante de la temperatura del horno en 300 ºC, considerando las pérdidas producidas en el brazo soporte del molde y el propio calentamiento de este pueden considerarse próximas a 4,52 m 3 /h. Esta consideración, muy próxima a los datos experimentales disponibles, supone un 10% del gasto máximo posible según las especificaciones de la máquina de rotomoldeo. Considerando los flujos volumétricos de aire forzado en la etapas de calentamiento y enfriamiento en valores usuales de 6 m 3 /h (360 m 3 /min) y 5 m 3 /h (300 m 3 /min) respectivamente, se obtienen consumos energéticos medios aproximados de 7,16 kW y 1,08 kW. Las soplantes de los procesos de escape requieren de consumos energéticos de 0,373 y 1,12 kW. En el proceso de rotomoldeo mediante el molde prototipo y la máquina de ensayos experimental desarrollada se produjo un consumo energético medio del baño termostático de 0,65 kW en la etapa de calentamiento, para mantener una temperatura constante del aceite de 140 ºC. El consumo energético aproximado de la bomba de circulación de aceite en todo el proceso asciende a 0,38 kW. CAPÍTULO VII VII-292 A partir de los datos experimentales obtenidos en el molde prototipo, y a modo de extrapolación de los datos disponibles para una temperatura de proceso de 300 ºC, resulta aceptable y conservador considerar un consumo medio de 1,95 kW/h (3 veces superior al consumo correspondiente a 140 ºC) del baño termostático correspondiente a dicha temperatura. El consumo energético de la recirculación del flujo mediante la bomba de aceite puede considerarse independiente de la temperatura del proceso. Considerando los consumos energéticos anteriores como los principales en cada proceso expuesto, así como utilizando los mismos consumos del molde prototipo en el caso del molde convencional de canales exteriores, los resultados de los consumos totales de cada tecnología de rotomoldeo pueden considerarse como los expuestos en las tablas 7.12 y 7.13. En la tabla 7.12 se ha establecido la equivalencia del gas propano en términos de potencia eléctrica, considerando 1 kg de gas propano equivalente a 12,83 kWh en términos energéticos. Parámetro Rotomoldeo convencional mediante horno Rotomoldeo prototipo mediante fluido térmico Rotomoldeo convencional mediante fluido térmico Consumo específico de combustible/gas propano (kg/h) 4,52 0,00 0,00 Consumo eléctrico equivalente (kW) 57,74 0,00 0,00 Tabla 7.12. Consumos específicos de combustibles y consumos eléctrico equivalente para ciclo de rotomoldeo simulado a 300 ºC de temperatura, según tecnologías estudiadas. El consumo de combustible queda limitado a las tecnologías convencionales mediante horno, aunque para procesos industriales podrían combinarse con sistemas eléctricos también para los casos de uso de aceite térmico. En cualquier caso, es de resaltar la posibilidad de no requerir combustibles fósiles para el proceso de rotomoldeo desarrollado. Los datos expuestos en la tabla 7.13 permiten evaluar el gasto energético necesario para cada ciclo completo de rotomoldeo en cada tecnología estudiada y según las temperaturas anteriormente detalladas. De esta manera, el ciclo completo de rotomoldeo prototipo requiere de un total de 0,101 kWh, respecto a los 6,228 kWh del proceso convencional mediante horno, lo que supone un 98,38% de ahorro energético. El proceso convencional de canales permite un ahorro del 96,40% respecto al proceso en hornos, mientras que entre procesos de aceite térmico, el molde prototipo reduciría el consumo ESTUDIO ENERGÉTICO COMPARATIVO ENTRE EL PROCESO DESARROLLADO Y PROCESOS CONVENCIONALES DE RO TOMOLDEO VII-293 energético en un 55,05%. Queda de esta manera definida la mayor eficiencia energética, para un ciclo completo de rotomoldeo, del molde prototipo respecto a los procesos convencionales. Los tiempos de ciclo corresponden a los detallados en las tablas 7.7 y 7.8 para una temperatura máxima del aire interior del molde de 275 ºC y una temperatura de enfriamiento de 150 ºC. Parámetro Rotomoldeo convencional mediante horno Rotomoldeo prototipo mediante fluido térmico Rotomoldeo convencional mediante fluido térmico Potencia eléctrica en calentamiento (kW) 7,53 2,33 2,33 Potencia eléctrica en enfriamiento (kW) 2,20 0,38 0,38 Potencia eléctrica equivalente de gas en calentamiento (kW) 57,74 0,00 0,00 Duración calentamiento (s) 332,81 145,24 322,77 Duración enfriamiento (s) 279,34 64,18 145,00 Consumo eléctrico total 1 (kWs) 22.421,79 362,80 807,15 Consumo eléctrico total 2 (kWh) 6,228 0,101 0,224 Ahorro energético - 98,38% 96,40% Tabla 7.13. Consumos específicos eléctricos y consumos totales para ciclo de rotomoldeo simulado a 300 ºC de temperatura, según tecnologías estudiadas. Los resultados anteriores se encuentran referenciados al tiempo del ciclo necesario en cada proceso, en una única etapa de procesado o fabricación. Analizando de forma teórica y básica la productividad global de los diferentes procesos estudiados, según los tiempos de ciclo de cada uno de ellos, puede determinarse el ahorro energético global, por ejemplo de forma anual (tabla 7.14). Para ello se han evaluado los ciclos completos de fabricación posibles para una producción diaria de 10 horas de funcionamiento, considerando un aprovechamiento útil de dicha jornada del 80% (deben considerarse los tiempos “improductivos” de apertura y cierre del molde, extracción de piezas, carga de material, etc.) CAPÍTULO VII VII-294 Parámetro Rotomoldeo convencional mediante horno Rotomoldeo prototipo mediante fluido térmico Rotomoldeo convencional mediante fluido térmico Ciclos por hora 5,88 17,19 7,70 Ciclos por hora ajustados (80%) 5 14 6 Producción diaria (10 horas) 50 140 60 Producción anual (230 días) 11.500 32.200 13.800 Incremento de producción - 180% 20% Consumos eléctrico anual total (kWh) 71.625,16 3.245,02 3.094,09 Ahorro energético eléctrico - 95,47% 95,68% Tabla 7.14. Estimación teórica de producción en procesos de rotomoldeo y parámetros productivos anuales según datos disponibles. Considerando además una producción anual limitada a 230 días útiles y la fabricación de una sola unidad de producto en cada ciclo de rotomoldeo, la producción estimada de piezas rotomoldeadas podría situarse en 11.500, 32.200 y 13.800 unidades para los procesos convencionales en hornos, molde prototipo y convencional de canales respectivamente. Según estos valores estimados, el proceso desarrollado permitiría incrementar la producción, respecto al sistema convencional mediante hornos, en un 180%, desde 50 unidades diarias hasta 140, o de forma anual desde 11.500 hasta 32.300 unidades. En términos energéticos anuales y aún con una producción incrementada en un 180%, el proceso desarrollado mediante el molde prototipo permitiría alcanzar ahorros eléctricos superiores a un 95% respecto a los procesos convencionales de convección forzada en hornos. Las características del horno analizado en la tecnología de rotomoldeo convencional mediante convención de aire permite la interpretación de los datos expuesto de diversas formas, pues en cualquier caso, se está analizando el proceso de rotomoldeo de un molde cúbico con dimensiones interiores de 100 mm en un horno con unas dimensiones útiles superiores a los 1.500 mm en cualquiera de sus ejes. Por tanto, sería posible reducir las dimensiones útiles de dicho horno para dicho molde base, aminorándose consecuentemente los costes energéticos asociados. Para realizar un análisis aún más preciso y real, se establece en la tabla 7.15 los resultados expuestos anteriormente en las tablas 7.13, considerando en este nuevo ESTUDIO ENERGÉTICO COMPARATIVO ENTRE EL PROCESO DESARROLLADO Y PROCESOS CONVENCIONALES DE RO TOMOLDEO VII-295 supuesto una mayor productividad de piezas en el molde convencional mediante horno, en el cual podrían producirse fácilmente 4 piezas simultáneamente según el molde base de 100 mm de longitud interior y sin alterar significativamente las necesidades energéticas calculadas. Cabe destacarse que en este caso los gastos energéticos de los movimientos giratorios de los moldes se incrementarían, los cuales no están siendo valorados. Parámetro Rotomoldeo convencional mediante horno Rotomoldeo prototipo mediante fluido térmico Rotomoldeo convencional mediante fluido térmico Potencia eléctrica en calentamiento (kW) 1,88 * 2,33 2,33 Potencia eléctrica en enfriamiento (kW) 0,55 * 0,38 0,38 Potencia eléctrica equivalente de gas en calentamiento (kW) 14,50 * 0,00 0,00 Duración calentamiento (s) 332,81 145,24 322,77 Duración enfriamiento (s) 279,34 64,18 145,00 Consumo eléctrico total 1 (kWs) 5.605,45 * 362,80 807,15 Consumo eléctrico total 2 (kWh) 1,557 * 0,101 0,224 Ahorro energético - 93,53% 85,60% Tabla 7.15. Consumos específicos eléctricos y consumos totales para ciclo de rotomoldeo simulado a 300 ºC. * Parámetros unitarios por pieza rotomoldeada, considerando una producción simultánea de 4 unidades. Considerando la simultaneidad de producción de hasta 4 unidades en el rotomoldeo convencional, el consumo energético unitario del molde desarrollado permitiría un ahorro del 93,53% respecto al coste unitario del proceso convencional mediante hornos, lo que continúa siendo una enorme reducción del gasto eléctrico del proceso. En el caso de considerar una producción de hasta 8 piezas rotomoldeadas en el mismo ciclo de rotomoldeo convencional mediante horno, manteniendo los mismos términos de energía consumidos, aún así se obtendría un ahorro energético superior al 87% con el nuevo modelo prototipo de rotomoldeo. 7.9.2. Conclusiones básicas Las tecnologías convencionales de moldeo rotacional estudiadas, fundamentalmente las que recurren a la convección por aire forzado en hornos, requieren CAPÍTULO VII VII-296 de tiempos de ciclo muy superiores al molde prototipo desarrollado, así como mayores necesidades energéticas. La incorporación de fluidos térmicos, como el aceite térmico, de forma envolvente al molde prototipo, así como la fabricación de cavidades del molde mediante tecnologías de electroconformado (produciendo moldes de 1 mm de espesor), permiten obtener significativas mejoras energéticas y productivas, siendo una alternativa eficiente y viable desde un punto de vista industrial, sin menoscabo de las necesidades de desarrollo y mejora que aún son necesarias para tal aplicación. Los ahorros energéticos eléctricos alcanzados superan, en el menor de los casos estudiados, valores superiores al 87%, además de la eliminación de consumos de combustibles, sin considerar los gastos energéticos extras implícitos únicamente en las tecnologías de rotomoldeo mediante hornos tales como los consumos adicionales de inyección aire en los quemadores de gas, o los gastos energéticos de los brazos de accionamiento de los moldes, superiores a los requeridos en los moldes desarrollados de menor peso. Estos y otros aspectos, como los derivados de la fabricación de moldes, costes operativos, de mantenimiento, aislamientos térmicos o servicios auxiliares, deben ser valorados en mayor medida para un completo y preciso análisis de la eficiencia y productividad de estos procesos, que de forma general deben beneficiar comparativamente al molde prototipo desarrollado. 7.10. ESTUDIO BÁSICO DE EMISIONES CONTAMINANTES Prácticamente cualquier proceso productivo moderno lleva asociado consumos energéticos que producen un impacto medioambiental determinado. De esta forma, el consumo de combustibles fósiles produce gases contaminantes de forma directa en su combustión, o de forma indirecta en las centrales convencionales eléctricas cuando el consumo es puramente eléctrico. En el caso de las energías renovables, el impacto ambiental se reduce significativamente hasta incluso la eliminación completa de los gases contaminantes, aunque dichas tecnologías, actualmente en auge, no suplen aún la totalidad de las necesidades energéticas de la sociedad. De forma concreta, las industrias del rotomoldeo, así como cualquier otra similar, requiere de energía para la transformación del material plástico, tal y como se ha evaluado en el apartado anterior, por lo que la reducción del consumo eléctrico o de gas propano, por ejemplo, no solo produce una reducción de los costes de fabricación, mayor competitividad ESTUDIO ENERGÉTICO COMPARATIVO ENTRE EL PROCESO DESARROLLADO Y PROCESOS CONVENCIONALES DE RO TOMOLDEO VII-297 de los productos o eficiencia energética en general, sino que produce una menor cantidad de gases contaminantes directos o indirectos, como el CO 2, SO 2 y NO x, entre otros. En la tabla 7.17 se muestra el cálculo simple de las emisiones teóricas producidas por los diferentes procesos de rotomoldeo estudiados, considerando las emisiones de los gases contaminantes principales según el mix eléctrico español (tabla 7.16) en función de la energía consumida, así como estableciendo una producción de 2,94 kg de CO 2 por kg de propano consumido. kg/kWh de dióxido de carbono (CO 2 ) g/kWh de dióxido de azufre (SO 2 ) g/kWh de óxidos de nitrógeno (NO x ) 0,166 0,254 0,217 Tabla 7.16. Emisiones específicas medias anuales del sistema eléctrico peninsular español durante el año 2010 según el informe anual del Observatorio de la Electricidad de la WWF. [7] Parámetro Rotomoldeo convencional mediante horno Rotomoldeo prototipo mediante fluido térmico Rotomoldeo convencional mediante fluido térmico Producción anual (230 días) 46.000 * 32.200 13.800 Consumos eléctrico anual total (kWh) 9.971,80 3.245,02 3.094,09 Consumo de propano anual (kg) 4.805,41 0,00 0,00 Producción de CO 2 anual (kg) 15.783,21 538,67 513,62 Producción de SO 2 anual (g) 2.532,84 824,24 785,90 Producción de NO x anual (g) 2.163,88 704,17 671,42 Producción de CO 2 unitaria (kg) 0,343 * 0,017 0,037 Producción de SO 2 unitaria (g) 0,055 * 0,026 0,057 Producción de NO x unitaria (g) 0,047 * 0,022 0,049 Reducción unitaria CO 2 - 95,12% 89,15% Reducción unitaria SO 2 - 53,51% -3,43% Reducción unitaria NO x - 53,51% -3,43% Tabla 7.17. Producción de gases contaminantes según tecnología de rotomoldeo en términos totales anuales y en términos unitarios por pieza fabricada. *Considerando una producción simultánea de 4 unidades por ciclo. Los resultados expuestos muestran la diferencia de producción de gases, fundamentalmente de CO 2 entre las diferentes tecnologías de rotomoldeo estudiadas, CAPÍTULO VIII VIII-304 electroconformado de la cavidad interior del molde. Sin embargo múltiples son las posibilidades de materiales utilizables, tales como el cromo o cobre, o combinaciones níquel-cobre, cobre-cromo o cromo-níquel, que pueden mejorar las cualidades mecánicas y/o térmicas del molde. V. Estudio de las características de las piezas rotomoldeadas. El presente trabajo de investigación podría complementarse con el estudio detallado de las piezas rotomoldeadas obtenidas, analizando todos los aspectos físicos característicos de las piezas rotomoldeadas, así como las afecciones de los diferentes variables del proceso a las cualidades de las piezas, tales como las temperaturas de calentamiento y enfriamiento, granulometría del material, tiempos del proceso, etc. VI. Mejora del método de enfriamiento. El proceso de enfriamiento dispone de gran importancia, fundamentalmente en las cualidades finales de las piezas rotomoldeadas, por lo que resulta de interés analizar los posibles sistemas de refrigeración del molde prototipo desarrollado que permitan minimizar aún más los tiempos de enfriamiento sin afectar las propiedades de las piezas rotomoldeadas. VII. Desarrollo de nuevas tecnologías de calentamiento del molde. Aún suponiendo un alejamiento de la propia filosofía del rotomoldeo, el desarrollo de técnicas más eficientes de calentamiento del molde, como los procesos de inducción, podrían reducir aún más drásticamente las necesidades energéticas así como simplificar las máquinas y procesos de rotomoldeo. Otras mejoras podrían establecerse desde calentadores de aceite de mayor eficiencia hasta el desarrollo de moldes inteligentes que produzcan el balanceo térmico necesario entre las diferentes partes del molde mediante el uso de microsensores de temperatura integrados en el mismo y sistemas avanzados de apertura o cierre de entradas y salidas de aceite térmico. VIII. Software de diseño de moldes de rotomoldeo mediante aceite térmico envolvente. La creación de softwares específicos de fácil y rápido manejo, que optimicen la configuración de entradas-salidas del aceite en el interior del molde en función de la uniformidad térmica o la reducción del tiempo de ciclo, mejoraría la competitividad de la tecnología y la reducción de costes de fabricación de moldes y utillajes. IX. Desarrollo industrial de la tecnología. Finalmente, se requeriría de la mejora continua en el desarrollo del moldeo rotacional mediante aceite térmico, tanto de los moldes como de los utillajes y elementos auxiliares, con el fin afianzar la tecnología y desarrollarla a nivel industrial, incluso con la incorporación de nuevos fluidos como los líquidos iónicos y compuestos similares. Referencias REFERENCIAS R-307 REFERENCIAS CAPÍTULO II [1] R. J. Crawford, “Rotational Moulding of Plastics”. John Wiley & Sons Inc. New York, 1996. [2] A Marcilla, J.C. García, R. Ruiz, S.Sanchez, C. Vargas and M.I.Beltrán, “Rotational Moulding of PVC Plastisols”, Intern. Polym.Process. [3] Glenn L. Bell, “Rotational Molding. Design, Materials, Tooling and Processing” Hanser, Munich, 1998. [4] Jim Lesko. Industrial design: materials and manufacturing guide. Third Edition. John Wiley & Sons, Inc. New Jersey, 2008. [5] M. Kontopoulou and J. Vlachopoulos, “Melting and Densification of Thermoplastic Powders”, Polym. Eng. Sci., Vol. 41, (2), 2001. 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Configuración de 1 entrada y 1 salida en caras opuestas 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura entrada aceite Temperatura de cara de entrada del molde Temperatura de la cara lateral del molde Temperatura de la cara inferior del molde Temperatura de la cara de salida del molde Temperatura interior del aire Configuración de 2 entradas en caras enfrentadas y 2 salidas en caras enfrentadas y opuestas 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura entrada aceite Temperatura de cara de entrada del molde Temperatura de la cara lateral del molde Temperatura de la cara inferior del molde Temperatura de la cara de salida del molde Temperatura interior del aire ANEXO A-320 Configuración de 36 entradas en 4 caras y 16 salidas en 4 caras 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura entrada aceite Temperatura de cara de entrada del molde Temperatura de la cara lateral del molde Temperatura de la cara inferior del molde Temperatura de la cara de salida del molde Temperatura interior del aire Configuración de 30 entradas superiores en caras enfrentadas y 30 salidas superiores en caras enfrentadas y opuestas 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura entrada aceite Temperatura de cara de entrada del molde Temperatura de la cara lateral del molde Temperatura de la cara inferior del molde Temperatura de la cara de salida del molde Temperatura interior del aire GRÁFICAS DE TEMPERATURAS Y UNIFORMIDADES DE CONFIGURACIONES DE ENTRADA Y SALIDA DE ACEITE DEL MOLDE PROTOTIPO A-321 Configuración de 40 entradas en 5 caras y 40 salidas en 5 caras 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura entrada aceite Temperatura de cara de entrada del molde Temperatura de la cara lateral del molde Temperatura de la cara inferior del molde Temperatura de la cara de salida del molde Temperatura interior del aire Configuración de 32 entradas en 4 caras y 32 salidas en 4 caras 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura entrada aceite Temperatura de cara de entrada del molde Temperatura de la cara lateral del molde Temperatura de la cara inferior del molde Temperatura de la cara de salida del molde Temperatura interior del aire ANEXO A-322 Configuración de 50 entradas en 4 caras y 50 salidas en 4 caras 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura entrada aceite Temperatura de cara de entrada del molde Temperatura de la cara lateral del molde Temperatura de la cara inferior del molde Temperatura de la cara de salida del molde Temperatura interior del aire Configuración de 64 entradas en 4 caras y 16 salidas en cara inferior 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura entrada aceite Temperatura de cara de entrada del molde Temperatura de la cara lateral del molde Temperatura de la cara inferior del molde Temperatura de la cara de salida del molde Temperatura interior del aire GRÁFICAS DE TEMPERATURAS Y UNIFORMIDADES DE CONFIGURACIONES DE ENTRADA Y SALIDA DE ACEITE DEL MOLDE PROTOTIPO A-323 Configuración de 84 entradas en 4 caras y 16 salidas en 4 caras 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura entrada aceite Temperatura de cara de entrada del molde Temperatura de la cara lateral del molde Temperatura de la cara inferior del molde Temperatura de la cara de salida del molde Temperatura interior del aire Configuración de 96 entradas en 4 caras y 4 salidas en 4 caras 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 Tiempo de ciclo (s) Temperatura (ºC) Temperatura entrada aceite Temperatura de cara de entrada del molde Temperatura de la cara lateral del molde Temperatura de la cara inferior del molde Temperatura de la cara de salida del molde Temperatura interior del aire ANEXO A-324 2. GRÁFICAS DE UNIFORMIDADES DE CONFIGURACIONES DE ENTRADA Y SALIDA DE ACEITE DEL MOLDE PROTOTIPO. Configuración de 1 entrada y 1 salida en caras opuestas 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0 100 200 300 400 500 600 Tiempo de ciclo (s) Coeficiente de variación (desviación ºC/ media ºC) Configuración de 2 entradas en caras enfrentadas y 2 salidas en caras enfrentadas y opuestas 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0 100 200 300 400 500 600 Tiempo de ciclo (s) Coeficiente de variación (desviación ºC/ media ºC) GRÁFICAS DE TEMPERATURAS Y UNIFORMIDADES DE CONFIGURACIONES DE ENTRADA Y SALIDA DE ACEITE DEL MOLDE PROTOTIPO A-325 Configuración de 4 entradas en caras enfrentadas y 1 salida en cara inferior 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0 100 200 300 400 500 600 Tiempo de ciclo (s) Coeficiente de variación (desviación ºC/ media ºC) Configuración de 7 entradas superiores y 15 salidas superiores en cara opuesta 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0 100 200 300 400 500 600 Tiempo de ciclo (s) Coeficiente de variación (desviación ºC/ media ºC) ANEXO A-326 Configuración de 7 entradas superiores y 15 salidas inferiores en cara opuesta 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0 100 200 300 400 500 600 Tiempo de ciclo (s) Coeficiente de variación (desviación ºC/ media ºC) Configuración de 14 entradas en caras enfrentadas y 14 salidas en caras enfrentadas y opuestas 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0 100 200 300 400 500 600 Tiempo de ciclo (s) Coeficiente de variación (desviación ºC/ media ºC) GRÁFICAS DE TEMPERATURAS Y UNIFORMIDADES DE CONFIGURACIONES DE ENTRADA Y SALIDA DE ACEITE DEL MOLDE PROTOTIPO A-327 Configuración de 15 entradas superiores y 15 salidas superiores en caras opuestas 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0 100 200 300 400 500 600 Tiempo de ciclo (s) Coeficiente de variación (desviación ºC/ media ºC) Configuración de 15 entradas superiores y 15 salidas superiores en caras opuestas canal inferior 10 mm 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0 100 200 300 400 500 600 Tiempo de ciclo (s) Coeficiente de variación (desviación ºC/ media ºC) ANEXO A-328 Configuración de 15 entradas superiores y 15 salidas superiores en caras opuestas canal inferior 2,5 mm 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0 100 200 300 400 500 600 Tiempo de ciclo (s) Coeficiente de variación (desviación ºC/ media ºC) Configuración de 18 entradas en 4 caras y 18 salidas en 4 caras 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0 100 200 300 400 500 600 Tiempo de ciclo (s) Coeficiente de variación (desviación ºC/ media ºC) GRÁFICAS DE TEMPERATURAS Y UNIFORMIDADES DE CONFIGURACIONES DE ENTRADA Y SALIDA DE ACEITE DEL MOLDE PROTOTIPO A-329 Configuración de 20 entradas superiores y 15 salidas superiores en caras opuestas 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0 100 200 300 400 500 600 Tiempo de ciclo (s) Coeficiente de variación (desviación ºC/ media ºC) Configuración de 20 entradas superiores y 25 salidas en caras opuestas 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0 100 200 300 400 500 600 Tiempo de ciclo (s) Coeficiente de variación (desviación ºC/ media ºC)