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Los Expertos del Torlon, PEEK y otros
Polímeros de Alto Rendimiento

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Selección de Materiales y Procesos para
Piezas de Plástico de alto Rendimiento

Cypress, Texas, Agosto de 2019

Este documento tiene por objeto ayudar a los diseñadores e ingenieros de la industria del plástico a seleccionar procesos y materiales que maximicen el rendimiento de las piezas críticas para el mantenimiento.

En la industria del plástico, hay mucha confusión sobre las diferencias relativas entre las piezas de plástico mecanizadas y moldeadas. Esto es fácil de entender cuando se observan los valores en las hojas de datos técnicos de los fabricantes de resinas y productos semiacabados. No se distraiga o retrase por esta observación para desarrollar y producir la mejor pieza posible. Este malentendido puede provocar retrasos en la producción, pérdidas de rendimiento y/o excesos en el presupuesto y, en el peor de los casos, fallos inesperados.

Diseño de piezas

Los siguientes elementos deben ser tenidos en cuenta en el diseño:

  1. Requerimientos de desempeño
  2. Propiedades dimensionales
  3. El coste teórico

Los dos primeros parecen obvios, pero a menudo se pasan por alto los costes teóricos. “¿No se puede producir todas las piezas de plástico de una manera menos costosa que una alternativa metálica?” No, no siempre. Muchos polímeros de alto rendimiento superan los costes de los metales especiales, incluso si se consideran en términos de volumen. Los ahorros generalmente asociados con el procesamiento del plástico provienen de la mejora de la eficiencia y de la reducción del número de fases de producción en el moldeo por inyección. Sin embargo, el costo debe incluir el capital requerido para un molde si las piezas van a ser moldeadas por inyección. Estos costes deben incluirse en el volumen esperado durante la vida útil de la pieza.



El mecanizado de piezas a partir de productos semiacabados elimina la necesidad de moldes, y avanza considerablemente en la entrega de las primeras piezas. Además, ofrece ventajas tanto de rendimiento como dimensionales gracias a una mayor precisión.

Selección de materiales

Al seleccionar el plástico para una pieza nueva, primero se deben tener en cuenta los requisitos medioambientales y de aplicación de la pieza. La temperatura, los productos químicos, la luz solar y su combinación con los requisitos de aplicación, como la resistencia al desgaste, la resistencia mecánica, la transparencia, etc., deben tenerse en cuenta a fin de reducir el número de materiales posibles a un número manejable para su posterior examen. Una aplicación aeroespacial que requiere un equilibrio entre la resistencia a altas temperaturas y la resistencia al impacto a bajas temperaturas de un componente estructural podría llevar a un diseñador al PAI de Torlon. O una parte para pozos de petróleo y gas que requiere inercia química con vapor de alta temperatura podría llevar a un ingeniero a acordar el PEEK como resina. Termoplásticos como PEI, PSU, PPSU, PPSU, PPSU, PPSU, PPSU, Acetales, Policarbonato, Poliéster e incluso Nylons son a menudo considerados para piezas de alto rendimiento. Las respuestas a algunas preguntas clave generalmente pueden limitar la lista a una o dos familias de materiales.

  • - ¿Es mi pieza una pieza rodante y de desgaste, o una pieza estructural?
  • - ¿Cuál es el rango de temperatura de funcionamiento esperado?
  • - ¿Existen requisitos de apariencia (transparencia, color, etc.)?
  • - ¿Qué factores medioambientales específicos deben tenerse en cuenta?
  • - ¿Cuáles son los requisitos mínimos de resistencia?
  • - ¿Es crítica la resistencia al impacto y/o la dureza?

Es ahora cuando el proceso de selección de materiales puede volverse complicado.

Cada familia de materiales consiste en muchos grados y viscosidades que son más importantes para el ingeniero durante el proceso. Una mejor comprensión de la terminología ayuda a quienes diseñan las piezas y que suelen ser también responsables de describir el material en un dibujo técnico. Por ejemplo, Solvay suministra más de 8 tipos de Torlon y más de 10 tipos diferentes de PEEK. Cada tipo tiene una composición ligeramente diferente y algunas viscosidades diferentes (pesos moleculares). Algunos tienen diferentes composiciones y otros tienen diferentes viscosidades. Aditivos como fibras de vidrio y carbono, grafito, PTFE, aceites, ceras y minerales están incluidos en cada una de las resinas base mencionadas anteriormente para mejorar ciertas propiedades como la resistencia mecánica y/o la resistencia al desgaste. Esta situación existe para todas las familias de resinas, lo que significa que muchas de ellas no lo son.

Entonces, ¿cómo elijo y cuándo debo elegir?

Necesidades de diseño

Máxima resistencia y rigidez
Baja fricción y máxima resistencia al desgaste
Aislamiento térmico o eléctrico
Resistencia a la fatiga
Máxima resistencia química
Estabilidad dimensional (bajo coeficiente de expansión)

Grados

Reforzadas con fibra de vidrio o de carbono
Desgaste que contenga PTFE y/o grafito.
No reforzados ni reforzados con fibras de vidrio
No reforzado, nivel de baja tensión
No reforzado
Reforzadas con fibra de vidrio o de carbono

Ahora es el momento adecuado para hacer una primera selección de grado de grado pero antes de especificarla, debe considerar la selección del proceso.

Selección de procesos

En general, la combinación del tamaño de la pieza acabada y el volumen esperado muestra claramente que el moldeo por inyección o el mecanizado es el proceso correcto.

Análisis de necesidades

Tamaño de la pieza grande
Pieza de pequeño volumen (<5,000/año)
Mecanizado difícil
Los costes más bajos para grandes cantidades. (>10000/año.)
Máxima tenacidad / resistencia al impacto
Tolerancias precisas sin ángulo de desmoldeo
Diseño aún no terminado
Proceso

Mecanizado
Mecanizado
Moldeo por inyección
Moldeo por inyección

Mecanizado
Mecanizado
Mecanizado

Una vez que su proceso es conocido, es hora de buscar el asesoramiento de sus proveedores. Aunque muchos materiales están disponibles como productos semiacabados, no todos los plásticos están disponibles en todos los tamaños. Las piezas extruidas se fabrican casi siempre a partir de plásticos con el mayor peso molecular. Sin embargo, muchos ingenieros indicarán en el dibujo un bajo grado de viscosidad que en realidad está destinado al moldeo por inyección. Esto casi siempre lleva a problemas de suministro y/o costos. En la nomenclatura Torlon, Torlon 4203L es el término utilizado para describir los grados de baja viscosidad (alto flujo) para el moldeo por inyección. Los grados de viscosidad superiores utilizados en la fabricación de productos semiacabados no llevan la denominación "L". Muchos dibujos contienen una referencia a Torlon 4203L, pero las piezas están destinadas al mecanizado. Bajo el nombre de Victrex PEEK, los grados 150 tienen una baja viscosidad (mayor caudal) y están diseñados para el moldeo por inyección de piezas de paredes delgadas. 450 grados son los más adecuados para productos semielaborados extruidos y piezas de paredes gruesas. A veces, especificar un grado 150 en la descripción del material de una pieza mecanizada le impedirá seguir el dibujo. El mismo problema existe para muchos otros materiales, incluyendo el acetal y los nilones.

A menudo es difícil encontrar grados reforzados con fibra de vidrio y carbono para piezas moldeadas de gran tamaño o productos semiacabados de gran tamaño. Moldeadores experimentados examinan las secciones transversales y la geometría general de la pieza antes de decidir el tipo de molde a utilizar. A menudo hay 2 o 3 viscosidades para elegir. Recuerde siempre que los grados de baja viscosidad llenan el molde rápidamente, pero el producto final es más frágil. El equilibrio entre los dos requisitos forma parte de la elección de los materiales.

El moldeo por inyección es una forma muy rápida y eficiente de producir piezas de plástico, pero los costes iniciales de las herramientas deben justificarse. Hoy en día, los mejillones oscilan entre 10.000 y 100.000 euros o más. Las cualidades reforzadas pueden ocasionar dificultades debidas a la orientación de las fibras, pero casi siempre se pueden superar trabajando estrechamente con su moldeador, que tiene años de experiencia en anticipar el flujo del molde y la dependencia direccional de las propiedades mecánicas resultantes. Las piezas semielaboradas extruidas permiten un proceso de mecanizado muy robusto, que permite obtener la máxima rigidez y resistencia gracias a la orientación de la pieza con poco o ningún esfuerzo de mecanizado o NRE. El moldeo por compresión permite fabricar piezas a partir de determinados plásticos no fusibles. PTFE, UHMW y casi todos los plásticos termoestables son ejemplos de plásticos que sólo se moldean por compresión. Aunque la resistencia mecánica y la rigidez de la mayoría de los plásticos moldeados por compresión son inferiores a las de sus hermanos y hermanas, pueden ser más estables dimensionalmente durante el mecanizado.

Debido a que no todos los productos semiacabados y las dimensiones son producidas de la misma manera por todos los fabricantes, pueden resultar propiedades de diferente resistencia y rigidez, incluso con la misma calidad de material. Trabajar en estrecha colaboración con el operario de su máquina y con el fabricante de productos semielaborados es la forma más fiable de garantizar que sus piezas sean óptimas y funcionen a la perfección.

Las fases de producción durante la vida útil de una pieza pueden incluir tanto el mecanizado como la fundición. Muchas piezas se producen primero por mecanizado cuando el volumen es bajo y el diseño todavía es adaptable, y luego se convierten al moldeo por inyección una vez que el diseño está establecido y el concepto probado. Los diseñadores e ingenieros de compras deben tener experiencia en todas las fases de la producción, o al menos deben trabajar con proveedores que tengan amplia experiencia en el procesamiento de polímeros. Con demasiada frecuencia, los diseñadores se sienten frustrados por la conversión de piezas mecanizadas en piezas fundidas. Esperan que el rendimiento siga siendo el mismo. Desafortunadamente, la orientación de las fibras, la dureza de las piezas, las tasas de desgaste y la precisión son casi siempre diferentes. Incluso el mecanizado de un producto semiacabado o de una pieza moldeada por inyección puede producir diferentes características. La comprensión de estas diferencias al principio del proyecto ayudará a evitar sorpresas desagradables en fases posteriores de la producción.

Diseñar con polímeros de alto rendimiento cuando el diseño de piezas y procesos es esencial para el rendimiento del sistema requiere experiencia en todas las opciones de proceso consideradas. La combinación única de Drake de extrusión, moldeo por inyección y mecanizado nos permite elegir siempre el mejor proceso para una pieza específica, teniendo en cuenta tanto la economía como el rendimiento.

Elija sus procesos y procesadores cuidadosamente teniendo en cuenta el adagio: No hay procesos malos... pero hay procesadores e ingenieros mal informados que no aprenden sobre los requisitos funcionales, y no cambian su enfoque para seleccionar materiales y procesos basándose en esta importante información.