ROTOMOLDEO
El moldeo rotacional o rotomoldeo es un método para transformar plásticos, que generalmente se encuentra en polvo, para obtener artículos huecos. En este proceso una cantidad de plástico frió en polvo o líquido, se introduce en la mitad del molde también frio. El molde se cierra y se hace rotan en torno a dos ejes en el interior del horno. Cuando la superficie metálica del molde se calienta lo suficiente, el plástico que se encuentra sobre su base en el interior comienza a fundir y se adhiere a las paredes internas del molde. El plástico va fundiendo en capas sucesivas gracias a la rotación biaxial cuando todo el plástico ha fundido el interior del molde debe estar completamente recubierto. En este momento puede comenzar la etapa de enfriamiento mientras continua la rotación del molde. Una vez solidificado el plástico, el molde se desplaza hacia la zona de carga y descarga donde se extrae la pieza. En este proceso se puede emplear también los materiales termoestables, siendo todas las etapas descritas igual, solo que para este caso el material no se funde, si no que polimeriza sobre la superficie del molde.
El tipo de artículos que actualmente se rotomoldea es muy variado, en general se trata de artículos huecos que pueden ser cerrados o abiertos, con paredes sencillas o múltiples.
El competidor más directo del rotomoldeo para la fabricación de artículos huecos de una sola pieza es el soplado. Aunque también compite con procesos de inyección y termoconformado en los que se puede fabricar artículos huecos obtenidos en dos mitades que deben ser unidas después.
Respecto a otras técnicas de transformación, las principales ventajas y desventajas del moldeo rotacional son las siguientes:
Ventajas:
· Las maquinas y moldes son simples y relativamente baratos. Esto es debido a que el rotomoldeo no emplea presión pues no es necesario obligar a que el material fluya desde unas partes de la maquina a otras, como ocurre con las demás técnicas de transformación, lo que hace que no se requieran moldes excesivamente resistentes.
· En el mismo equipo, e incluso en un mismo ciclo se puede trabajar con moldes de distintos tamaño y forma, con lo que la planificación de la producción puede ser muy flexible.
· Se puede obtener diversidad de productos huecos, artículos muy grandes (más que con cualquier otra técnica), con gran facilidad para modificar el espesor, dobles capas, artículos reforzados, espumados, entre otros.
· Los productos pueden estar libres de tensiones si se adoptan las precauciones oportunas (puesto que no se aplica presión).
· Se puede disimular o evitar las líneas de unión en las piezas rotomoldeadas en el caso de piezas flexibles.
Desventajas:
· El costo de los materiales es relativamente alto puesto que la mayoría de los plásticos se sirven en granza y deben ser sometidos a un proceso de molienda criogénica que encarece el proceso y, además las características del polvo obtenido son cruciales para la calidad de la pieza.
· Los ciclos son largos pues cada vez los moldes se calientan desde temperatura ambiente hasta temperaturas elevadas y luego se enfrían, empleando por lo general hornos de convección forzada o corrientes de aire, lo que resulta en un deficiente aprovechamiento del calor.
· Las etapas de carga y descarga de los moldes pueden ser muy complicadas y requieren mucha mano de obra.
· Los materiales que se emplean hoy todavía son limitados en comparación con otros procesos.
Máquinas y moldes
Las máquinas de rotomoldeo deben ser capaces de hacer girar el molde entorno a dos ejes perpendiculares. Las primeras maquinas utilizaban un sistema de vaivén y se denominan maquinas de tipo “Rock and Roll”.
En estas máquinas se produce el giro completo alrededor de uno de los ejes mientras que simultáneamente el sistema se coloca sobre otro eje perpendicular que hace que el molde gire hasta 45°, provocando el movimiento del vaivén. Estas aun se utilizan en la producción de artículos muy grandes en los que resulta complica hacer el giro completo alrededor de dos ejes.
Las máquinas más modernas consiguen la rotación completa como en la siguiente figura:
En el brazo recto se pueden colocar mayor numero de moldes en cada ciclo, pero deben ser de menor tamaño que en el casco del brazo acodado. En ambos brazos los motores que hacen girar a cada uno son independientes, de modo que se pueden seleccionar diferentes 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 lo general, el molde debe mantenerse girando durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento.
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 la combustión de gas, aceite o electricidad como fuente de energía aunque eventualmente se prefieren los de gas. Para conseguir una buena circulación del aire en el interior de horno se emplean ventiladores y tabiques deflectores, de modo que se evita la aparición de zonas muertas. Habitualmente se emplean como sistema de enfriamiento aire forzado, agua pulverizada o combinaciones de ambos.
Las máquinas más corrientes hoy sin duda las maquinas tipo carrusel. Resultan muy eficientes, altamente productivas y de bajo mantenimiento.
Las máquinas carrusel de tres brazos fijos, 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.
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.
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, por ejemplo, los moldes fabricados de planchas de acero.
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.
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.
Etapas del proceso
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.
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 homogeniza, 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.
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.
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).
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.
- Etapa de enfriamiento y cristalización
Cuando el molde se mueve hacia el área de enfriamiento la temperatura sigue aumentando un poco debido al calor residual que queda en el molde y en el polímero fundido. Durante esta primera etapa de enfriamiento el material se encuentra todavía en estado fundido. Después del proceso de cristalización o solidificación. El proceso de enfriamiento continúa hasta que el material adquiere suficiente consistencia para poder ser extraído del molde. El material continúa enfriándose lugar cuando la pieza se separa de la pared del molde como consecuencia de la contracción. A partir de ahí el enfriamiento es más lento puesto que hay una capa de aire entre la pared del molde frío y el plástico. Si cuando esto ocurre la pieza tiene una temperatura a la que ya puede ser manipulada se escoge este punto para el desmoldeo. En este caso la separación de la pieza del molde facilita la etapa de desmoldeo.
En otras palabras, el proceso es el siguiente:
Llenado del molde. En el molde se introduce la cantidad necesaria de material plástico a procesar, que generalmente es un termoplástico en polvo finamente molido; sin embargo, también se pueden procesar dispersiones de termoplásticos en solventes no volátiles y algunas resinas termoestables. La cantidad de material introducida es el peso deseado de la pieza final. El material es montado en un molde abierto y frío cubierto previamente en su interior con agente desmoldante. Luego el molde es cerrado y llevado al interior de un horno para ser calentado.
Calentamiento del molde. Una vez preparado el molde, se somete a la aplicación de calor y simultáneamente se hace rotar sobre dos ejes perpendiculares a fin de permitir que el material se vaya adhiriendo poco a poco a la pared interna y se fusione en una masa continua. La fusión es un proceso que une material sólido, y no implica que el material pase al estado líquido (fundición) y luego se resolidifique; por lo tanto las partículas en el proceso de rotomoldeo no se funden realmente, sino que se sinterizan en los puntos de contacto, hasta formar una red tridimensional porosa. Finalmente, por capilaridad el material viscoso llena los poros remanentes. El ciclo de calentamiento es la etapa de mayor duración en el proceso de rotomoldeo. El proceso de calentamiento de la resina y fusión de las partículas toma normalmente entre 7 y 15 minutos, aunque se conocen ciclos hasta de30 minutos. La duración de esta etapa está directamente relacionada con el espesor deseado de la pieza final, pues a medida que el plástico se deposita sobre las paredes del molde, debido a su pobre capacidad de conductividad térmica, actúa como un aislante que disminuye la transferencia de calor hacia el material que todavía no se ha incorporado a las paredes.
Enfriamiento del molde. Cuando todo el material plástico ha tomado la forma interna del molde, se procede a enfriarlo para que se endurezca y quede terminado con las características buscadas; durante esta etapa continúa la rotación, para garantizar uniformidad en la conformación de la pieza. Como medio de enfriamiento es posible usar agua fría dispersada en gotas sobre la superficie del molde (para lograr un enfriamiento rápido), una corriente de aire con vapor de agua condensado (con menor rapidez de enfriamiento) o aire frío (consiguiendo un enfriamiento lento).
Vaciado del molde. Al estar la pieza terminada, se procede a sacarla del molde y se puede iniciar un nuevo ciclo de producción. Esta última etapa, aparentemente muy sencilla, puede llegar a requerir métodos de alta tecnología cuando las piezas fabricadas tienen diseños intrincados o son de gran tamaño.
Variables de proceso
Un proceso se caracteriza a través del establecimiento y control de las siguientes variables:
• Temperatura del horno.
• Tiempo de residencia en el horno.
• Cantidad de polímero adicionada al molde.
• Velocidad de rotación del molde (no mayor de 60 rpm)
• Naturaleza del medio de enfriamiento.
• Duración del ciclo de enfriamiento.
Temperatura de desmolde. Adicionalmente, otros factores pueden influir en la calidad del producto, aunque pueden no depender directamente del fabricante:
•Tamaño de partícula del polvo
•Distribución del tamaño de partícula
•Comportamiento fluido del polímero
•Facilidad de moldeado del material
•Densidad del polímero
•Forma del molde
•Espesor del molde
•Eficiencia y tipo del horno
•Eficiencia y tipo de enfriamiento
Selección de materiales
- Caracterización de materiales para moldeo rotacional.
Las características de la resina empleada, junto con las condiciones de procesado, van a determinar la calidad del producto acabado. Las propiedades de las resinas que mayor influencia tienen sobre el producto transformado y sobre el proceso se exponen a continuación.
- Forma, tamaño y distribución de tamaño de partícula de la resina.
El tamaño de la partícula de los polímeros que se emplean en rotomoldeo varía entre 150 y 500 µm. El tamaño (TP) y la distribución de tamaños de partícula (DTP) juegan un papel fundamental sobre el flujo del polvo en el molde durante las etapas de inducción y sinterización. Las partículas más finas se moverán con facilidad entre las gruesas y serán las primeras en fundir en contacto con el molde caliente. Estas partículas producen varios efectos deseables como son producir texturas finas con un mínimo de porosidad (mejor acabado superficial) y reducir los tiempos de ciclo. Sin embargo, hay al menos dos limitaciones prácticas por las que el tamaño de partícula no debe ser excesivamente fino. Por una parte, para conseguir partículas muy finas la excesiva cizalla y temperatura desarrollada por los equipos de molienda puede conducir a una pérdida de la resistencia de las partículas y a la degradación parcial de las mismas. Por otra parte, mover partículas muy finas por el interior del molde puede conducir a la aparición de altas cargas estáticas y a la aglomeración de las partículas. Esto provocaría una fusión y un espesor de pared poco uniformes. En contraste, si la proporción de partículas gruesas es demasiado grande el proceso de fusión será más lento y el contenido en burbujas y la porosidad superficial mayor.
La forma de las partículas juega un papel muy importante tanto en la transmisión de calor, como en el flujo del polvo durante el rotomoldeo. Las partículas cilíndricas con relación L/D grande presentan diversos tipos de problemas durante el moldeo. Si la etapa de molienda ha sido deficiente pueden obtenerse polvos con una especie de colas o tallos alargados. Polvos de este tipo son difíciles de moldear y presentan propiedades mecánicas pobres. Esto se atribuye al enrollamiento de estas colas, entre las que puede quedar aire atrapado. Por otra parte, cuanto mayor sea la relación entre la superficie de las partículas en contacto con el molde o con otras partículas y su volumen, tanto mejor será la transmisión de calor por conducción hacia la partícula, por lo que desde el punto de vista de la transmisión de calor interesan partículas cúbicas.
- Peso molecular y distribución de pesos moleculares.
Como medida del peso molecular de las resinas se emplea generalmente el índice de fluidez (MFI). El MFI de las resinas empleadas en rotomoldeo oscila por lo general entre 2 y 10 (g/10 min, 2.16 kg y 190ºC).
Un resina con un MFI alto tendrá peso molecular bajo, y por tanto las propiedades mecánicas del producto obtenido serán pobres (impacto y tracción). Sin embargo, los materiales con un MFI excesivamente bajo no son adecuados para rotomoldeo, pues presentan viscosidades altas, lo que dificulta los procesos de sinterización y densificación, y además (o en consecuencia) requieren tiempos de ciclo muy largos.
La cristalinidad que el material sea capaz de desarrollar depende de su estructura. Los polímeros lineales (no ramificados), de pesos moleculares bajos y, en general, que presenten una estructura más regular (menos imperfecciones e impedimentos estéricos) serán capaces de desarrollar una mayor cristalinidad si el enfriamiento se produce en las condiciones adecuadas. Los polímeros cristalinos presentan mayor densidad, mayor resistencia a la tracción y rigidez, sin embargo son menos tenaces y se encogen y alabean más que los polímeros no cristalinos, como consecuencia de las tensiones que pueden aparecen durante la cristalización, que a su vez son consecuencia de las diferentes velocidades a las que se enfriará el material a lo largo de su espesor.
