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Enfriamiento en inyección: ¿cuándo preferir un sistema centralizado y cuándo uno a pie de máquina?

El proceso de inyección de termoplásticos como proceso de producción masivo, discontinuo, para manufactura de piezas complejas, se divide en varias etapas: apertura, cierre, plastificación, llenado volumétrico y gravimétrico, enfriamiento y expulsión. Algunas se desarrollan simultáneamente, otras de manera secuencial.

El tiempo que se requiere para cada una de ellas depende de las características del producto (peso, espesor, longitud de flujo, material, entre otras) y de las especificaciones de la máquina (capacidad de plastificación, velocidad de inyección, presión máxima de inyección, velocidades de apertura, cierre y expulsión). En la figura 1 se ilustra un proceso típico de inyección y se ve cuánto tiempo toma cada una de las etapas de forma representativa (en segundos).

El enfriamiento, de manera reiterada, se presenta como una de las etapas que mayores limitaciones genera en el momento de pretender hacer más eficientes los tiempos de ciclo, básicamente, por las condiciones térmicas del material (difusividad térmica), las condiciones del proceso (temperatura de inyección, de expulsión, de pared de molde) y las características geométricas del producto (espesor).

El reto en un proceso como el que se ilustra en la figura 1 es lograr reducir los dos segundos en los que la etapa de enfriamiento supera a la de plastificación (12, 13) y disminuir, tanto como sea posible, la etapa de plastificación, limitada por rata de cizalladura crítica del material y capacidad máxima de plastificación de la máquina.

Los sistemas centralizados de refrigeración

Por mucho tiempo, las plantas de inyección de termoplásticos han sido conceptualizadas con sistemas centralizados de enfriamiento, tanto para moldes como para la refrigeración de las gargantas de las máquinas y los sistemas de potencia. Una de las principales razones para concebir el sistema de enfriamiento de esta manera es que se trata de inversiones que pueden llegar a ser importantes dentro de los montajes de plantas; en la medida que se disponga de varias máquinas y los equipos auxiliares de refrigeración se puedan dimensionar para que suplan la capacidad de varias inyectoras al mismo tiempo, la inversión en estos sistemas puede distribuirse y ser más asimilable.

Otro motivo por el cual los sistemas centralizados han sido usados por mucho tiempo tiene que ver con la disponibilidad en el mercado de equipos pequeños de refrigeración, con eficiencias competitivas.

Así como se piensa  habitualmente en sistemas centralizados, también es muy habitual encontrar que no necesariamente están bien conceptualizados o aplicados. Quiere decir esto que, aunque se piensen y visualicen para varias máquinas inyectoras, no se tienen en cuenta todos los elementos que permitan un adecuado manejo de las variables principales de estos sistemas: caudal, presión y temperatura.

Un sistema centralizado, además de involucrar un equipo de enfriamiento (chiller) de refrigerante, también está compuesto por:

  • Tuberías de alimentación y retorno
  • Válvulas de corte
  • Bombas
  • Tanques
  • Elementos de medición
  • Elementos de control (válvulas de regulación)

Todos estos elementos están pensados para llevar la cantidad de refrigerante requerido a cada uno de los puntos donde es demandado, con el menor compromiso energético posible, partiendo siempre de los requerimientos del producto. Aquí, el correcto diseño de la red de tuberías es tan importante como el correcto dimensionamiento de los equipos de bombeo. El único punto del sistema donde interesa tener caídas de presión importantes es al interior del molde.

Cuando las plantas tienen una mezcla muy diversa en términos de características de producto (masa, espesor) o de materiales, un sistema centralizado de refrigeración puede tener algunas limitaciones e inducir en algunos casos errores que repercuten en productividad y calidad. Por ejemplo, cuando se procesa un material que requiere una temperatura de pared de molde más alta que las demás resinas procesadas, al tener un equipo de refrigerador único para todo el sistema se opta por restringir el caudal y así tener la cavidad más caliente. Esto genera una diferencia de temperatura mayor entre la entrada y la salida del refrigerante, induciendo un enfriamiento disparejo en el artículo y una disminución en la tasa de extracción del calor del producto, como consecuencia de disminuir el caudal.

Los procesos de crecimiento de las plantas de producción normalmente obedecen a los requerimientos del mercado. Sucede que, en la premura de resolver la necesidad de instalar más máquinas en la planta, se realizan extensiones de las redes de tuberías, sin la atención necesaria al impacto en las variables de flujo de refrigerante y, como consecuencia, se tienen disponibilidades menores a las esperadas de refrigerante en cada uno de los puntos de consumo, lo que limita la eficiencia del proceso.

Los sistemas están dimensionados para una potencia de refrigeración y un caudal establecido. Cuando se presentan valles de consumo para los que no están preparados, resultan sobredimensionados, sin poder ajustarse lo suficiente, operando de una manera energéticamente ineficiente.

» Publication Date: 11/09/2018

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