ROTOMOLDEO Y CALANDRADO

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

 

• 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.

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.

• Etapa de sinterización

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).

• Etapa de densificación

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. 

 

• Cristalinidad

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.  

 

 

 CALANDRADO

 

El calandrado es un proceso de conformado que consiste en hacer pasar un material sólido a presión entre rodillos de metal generalmente calientes que giran en sentidos opuestos. La finalidad puede ser obtener láminas de espesor controlado o bien modificar el aspecto superficial de la lámina.

 

Ventajas
· Aplicable a materiales de alta viscosidad y que se degradan fácilmente
· Buen acabado superficial
· Alta precisión de calibración en la película.
· Productos no tóxicos
· Posibilidad de obtener materiales planos con o sin brillo
· Velocidades de producción altas
· No hay desperdicio de materiales

Desventajas

· Las instalaciones de calandrado son costosas (puesta en marcha del proceso)

· Estrecho control sobre las temperaturas de los rodillos, presiones y velocidades de rotación. Degradación térmica, superficial e inclusiones de aire.

· Defectos superficiales provocan deficiente homogenización y bajo rendimiento del proceso

· Solo se aplica únicamente en polímeros gomosos (entre los estados vítreo y fundido)

Etapas del proceso

1.    Alimentación: El material de alimentación debe estar previamente plastificado en estado fundido previamente extruido en el caso de los termoplásticos (PE, TPU) o estado de gel (PVC con plastificantes). El calandrado de goma también se realiza en estado de gel en general se agregan aditivos que ayudan el procesado) 

2.    Cilindros de calandria: Dependiendo de la lámina que se desea obtener los rodillos, su largo puede variar entre 2 y 4 metros. La calandrias consta de por lo general de 3 o 4 rodillos. Su disposición puede variar, pero la alimentación casi siempre se realiza por la parte superior. Se obtiene lamina de espesor (0,3- 1,0 mm)

3.    Cilindros de calibración y enfriamiento.

4.    Corte y bobinado. Acabados superficiales: brillante, mate, texturas. Depende del recubrimiento aplicado en el último cilindro caliente.

5.    Medida y control del espesor: ajustar de forma continua el sistema de regulación para obtener un espesor homogéneo, por medio de un detector de absorción de radiación beta, que es proporcional al espesor

6.    Enfriamiento y acabado: se obtiene un estirado final aun a las temperaturas cercanas a las del calandrado (temperaturas demasiado bajas producirían tensiones residuales), corte de bordes y estiramientos adicionales.

Equipos y accesorios (importancia)

Equipos

·      Calandras: maquina que se compone de dos o más laminadores que se tocan y cuya presión se gradúa por contrapesos siendo varios cilindros (comúnmente cinco) perfectamente alisado, bruñido y caliente que giran en sentido opuesto. La finalidad es una lámina de superficie tersa, unida y consistente.

·      Tren de enfriamiento: compuestos por cilindros o rodillos que se acoplan con gran exactitud para calibrar el espesor de la lámina y darle un enfriamiento homogéneo, los rodillos internamente están dotados con un sistema de enfriamiento de canales internos.

·      Acumulador: tren de rodillos que impiden que se deforme, obteniendo un estirado final aun a las temperaturas cercanas a la del calandrado

·      Bobina (jumbo o tambor): enrolla el material cortado, de acuerdo a las exigencias, a partir de los distintos mandiles del largo apropiado en los brazos de las estaciones receptoras, colocando tenso el material y unas cuchillas circulares lo seccionan mientras va desenrollándose la bobina y se acumula el papel en los nuevos mandriles.

Accesorios

· Control de espesor: ajusta el sistema de regulación para obtener un espesor homogéneo a lo ancho de la lámina.

·  Válvulas o juntas rotativas: cumple con el objetivo de canalizar el agua en los rodillos del acumulador homogéneamente.

·  Cuchilla: cortan el material para obtener el tamaño deseado por el cliente.

Variables del proceso

1. Temperatura del material (a mayor temperatura)

·         Mejor calidad superficial

·         Menor riesgo de defectos de despegue

·         Disminución de la eficiencia (menor presión sobre la masa, menor esfuerzo en rodillos, posible inclusión de burbujas)

     2. Velocidad de los rodillos (W): permite regular espesor de la lámina sin variar el entrehierro. A mayor velocidad

·         Mayor presión y generación viscosa de calor

·         Mayor ritmo de producción

·         Posibles problemas de aspereza superficial (ruptura del fundido)

Clasificación de materiales

En el proceso de calandrado se pueden utilizar los siguientes materiales:

Papel: se realiza el acabo de la superficie de acuerdo a las especificaciones finales, los rodillos de acero aplican calor y presión, pule la superficie hasta el nivel de brillo requerido.

Telas o tejidos: se emplea para dar una última presión, para lograr una superficie tersa, unida y consistente. Se utilizan para fabricar cortinas para baño, recubrimientos protectores, mantas de impresión.

Termoplásticos (PE, TPU, PP, ABS etc.), cauchos sintéticos y naturales: el proceso requiere que sea esta familia por ser gomosos y elásticos. Se utilizan para fabricar juguetes, botes inflables, cubiertas de albercas, reciclaje de neumáticos, cintas de transporte.

PVC plastificado: por ser elástico y con propiedades gomosas es utilizado en el proceso. Se utiliza para fabricar cubiertas para pisos, manteles de vinilo etc.

Metales: fabricación de laminas de hierro, aluminio etc. con diámetro constante y acabado de la superficie de acuerdo a las especificaciones.

REFERENCIAS

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BELTRA, M. MARCILLA, A. Moldeo rotacional. [En línea] [Disponible en: http://iq.ua.es/TPO/Tema7.pdf]. Consultado: 9 de Octubre de 2012.

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GROOVER, Mikell p. fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas. [En línea]. [Consultado: 09 de octubre de 2012]. Disponible en web: http://books.google.com.co/books?id=tcV0l37tUr0C&

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