Moldeo a presión: ofrecemos lo necesario para una atemperación de herramientas perfecta

La bomba integrada en el aparato transporta el portador de calor desde el depósito hasta el molde y de regreso. Un termosensor mide la temperatura en el medio y devuelve el valor al controlador, que regula la temperatura del portador de calor y, con ello, indirectamente la temperatura del molde. Si la temperatura aumenta en el molde, una electroválvula controlada por el regulador abre el circuito de agua de refrigeración, y permite que fluya agua fría por el intercambiador de calor hasta que la temperatura del portador de calor y, por consiguiente, la del molde vuelven a alcanzar el valor de consigna. De manera similar a la refrigeración, si la temperatura del molde es demasiado baja, se encienden los calefactores eléctricos.

Para garantizar los requisitos de calidad, como las características de la superficie, el llenado del molde y la precisión dimensional y formal de las piezas moldeadas, así como para optimizar los tiempos de ciclo y de parada, la atemperación mediante atemperadores es indispensable.

Para la atemperación del molde de la herramienta en el moldeo a presión, recomendamos dos sistemas diferentes, en función del medio portador de calor elegido:

• Atemperadores de agua a presión hasta 160°C
• Atemperadores de aceite hasta 360°C

Atemperadores de agua a presión hasta 160°C: potencia calefactora de 6 kW a 48 kW
Los atemperadores de agua a presión son sistemas cerrados en los que se eleva el punto de ebullición por medio de la presión estática en el circuito a 140°C o 160°C. Los aparatos de agua a presión de Tool-Temp disponen de un recipiente de expansión que permite trabajar en condiciones de presión bajas y garantiza una regulación de la temperatura estable. Debido al peligro de quemaduras, se desaconseja enérgicamente utilizar aparatos de agua a presión para el procesamiento del magnesio. Para un cambio de molde fluido, los aparatos de agua a presión de Tool-Temp ofrecen un sistema de vaciado de moldes. En algunos modelos se pueden incluso limpiar y secar los canales del molde con aire comprimido. El alivio de presión, que también transporta el agua de proceso a la salida del agua de refrigeración, garantiza una separación sin riesgo de las conexiones hidráulicas.

Atemperadores de aceite hasta 360°C: potencia calefactora de 8 kW a 48 kW
La estructura básica es un circuito de aceite caliente con un recipiente de aceite frío superpuesto. El contenido del recipiente de expansión de los atemperadores de aceite de Tool-Temp permanece frío incluso durante el proceso de trabajo. Por lo tanto, es imposible que el aceite portador de calor se evapore y rebose en el aparato. Además, los calefactores están diseñados de manera que no se produce descomposición del aceite. Está comprobado que el intercambiador de calor del circuito de agua de refrigeración está exento de calcificación y garantiza fiabilidad y durabilidad.

Los aparatos de aceite de Tool-Temp ofrecen un sistema de vaciado de moldes. Cambiando al modo de vacío se puede aspirar el portador de calor en el recipiente de expansión. Los recipientes de expansión son de grandes dimensiones para poder alojar el volumen de retorno.

Las ventajas de los atemperadores de Tool-Temp en el moldeo a presión
Los atemperadores de Tool-Temp sorprenden por su resistencia. Estos aparatos pueden resistir las condiciones adversas del día a día en el moldeo a presión.

Bomba de acoplamiento magnético duradera: la bomba con acoplamiento magnético desarrollada por Tool-Temp hace frente a los líquidos agresivos, corrosivos y cargados con sólidos, y constituye un componente clave resistente y potente. Las bombas se fabrican exclusivamente en la sede principal de Tool-Temp en Suiza.

Medición de la temperatura en la herramienta: en los atemperadores de Tool-Temp existe la posibilidad de regular mediante la temperatura del depósito o la de la herramienta. La medición digital del caudal y la indicación de la presión se visualizan claramente en el aparato y sirven de parámetros esenciales para una calidad de producción reproducible.

Los aparatos de agua a presión ofrecen la ventaja de que se pueden utilizar incluso con canales de molde pequeños con poca superficie de intercambio de calor. Esto permite mejorar las diferencias de temperatura en la herramienta, aunque estas siguen pudiendo provocar tensiones en las herramientas y, por lo tanto, grietas. Los desechos al arrancar la máquina de moldeo a presión como resultado de la temperatura de la herramienta se reducen considerablemente en comparación con el agua fría. Debido a su capacidad térmica superior y a su mejor transmisión de calor, el agua ofrece ventajas importantes en la refrigeración y contrarresta positivamente el problema con canales demasiado pequeños.

Hay que tener en cuenta que el agua a presión no se debe utilizar para trabajar con magnesio. Un molde no estanco puede provocar una ignición del magnesio líquido, lo que causaría enormes daños. El magnesio y el agua provocan reacciones químicas intensas, que podrían llegar hasta explosiones, y dañan tanto la herramienta como la máquina.

Ventajas de los sistemas de agua a presión de Tool-Temp: diseño seguro y resistente

Los atemperadores de Tool-Temp presentan un dimensionado y una estructura conservadores. Nuestros calefactores tienen carga baja para que la temperatura de su superficie sea lo más baja posible. Además, el medio fluye con una alta velocidad en los calefactores y el nivel mínimo está vigilado. Con un nivel demasiado bajo, el piloto de aviso se enciende e indica al operario que se ha alcanzado el nivel mínimo. La bomba deja de funcionar para evitar la marcha en vacío. El aparato se rellena automáticamente a través de la entrada del agua de refrigeración hasta que se alcanza un nivel suficiente. El indicador se apaga y la bomba vuelve a arrancar automáticamente. En Tool-Temp somos muy exigentes en lo que se refiere a la resistencia del diseño. Para los sistemas de agua a presión solo trabajamos con conexiones de tubos sólidas que se fabrican en plegadoras altamente automatizadas en la fábrica de Sulgen. La carcasa está completamente cerrada, de manera que la suciedad no puede penetrar en el aparato. Ya en la fase de diseño nos concentramos en la elección de los materiales. En todos los puntos que entran en contacto con agua se utiliza acero inoxidable, sin excepciones.

Los aparatos de Tool-Temp ofrecen una seguridad del proceso adicional mediante válvulas de seguridad que se disparan en caso de que el estado de funcionamiento sea incorrecto. Con una presión del sistema excesiva se abre una válvula de seguridad y la presión se dirige a la salida del agua de refrigeración. Si, a pesar de esto, la presión sigue aumentando, se abre una segunda válvula de seguridad a través de la que la presión se escapa al aire libre.

Además, los siguientes elementos de seguridad relevantes están integrados en todos los aparatos de agua a presión de Tool-Temp:

• La válvula antirretorno impide que el agua refluya cuando la presión del circuito es más alta que la de la red de suministro.
• Dos válvulas de seguridad supervisan el aumento de presión. La primera válvula desconecta los calefactores y la segunda abre el circuito y fuerza una caída de presión si esta es demasiado alta.
• Los manómetros muestran la presión del sistema y de las bombas.
• El caudalímetro controla la circulación del medio al consumidor.
• El alivio de presión garantiza que el circuito de atemperación quede sin presión antes de desacoplar el aparato del consumidor. Con el aparato sin presión (electroválvula abierta), a menos de 80°C se puede vaciar el consumidor mediante aspiración.

Respecto a cuál es la mejor solución, si los aparatos de calefacción y refrigeración de agua o aceite, las opiniones de los expertos son muy diversas. Como fabricantes de los dos tipos, tendemos a ver más ventajas en el uso de los sistemas atemperadores de aceite, por un lado, debido a la vida útil más larga del molde de la herramienta y, por otro lado, al mantenimiento más sencillo de estos aparatos. La desventaja de los canales del molde más largos a causa del aceite se puede contrarrestar en el diseño de la herramienta con modelos adecuados.

El uso de aparatos de aceite ofrece muchas ventajas a altas temperaturas de la herramienta:

• Temperaturas de empleo más altas
• Menor tensión a causa de las diferencias de temperatura
• Vida útil más larga del molde
• Costes de mantenimiento más bajos

No obstante, para que un atemperador de aceite pueda desplegar estas ventajas, debe haber una circulación suficiente del medio en la herramienta. Por este motivo, todos los aparatos de Tool-Temp están equipados con un sistema de medición del caudal.

Si en el moldeo a presión se debe calentar o enfriar mayoritariamente es algo que depende de la masa de la pieza. Con piezas pequeñas se suele calentar y con piezas grandes es más común enfriar. Los aparatos de Tool-Temp están dimensionados de manera que la carga de la superficie del calefactor (W/cm²) es muy baja para prevenir el sobrecalentamiento del aceite y, con ello, un envejecimiento rápido.

Los intercambiadores de calor están diseñados y dimensionados de manera que se vacían solos tras finalizar el proceso de enfriamiento y, por lo tanto, no se calcifican ni se ensucian. En cuanto a las bombas, se puede elegir entre bombas tradicionales con junta deslizante y bombas con acoplamiento magnético sin juntas.

Para los aceites, se distingue entre aceites portadores de calor con base de aceite mineral y líquidos portadores de calor sintéticos. Los aceites con base mineral se pueden utilizar hasta aprox. 270°C. La mayoría de los aceites sintéticos alcanzan una temperatura de servicio de hasta un máximo de 320°C. Por experiencia, para el rango de temperatura de entre 320°C y 360°C, hay pocos portadores de calor disponibles. Además del líquido portador de calor sintético Marlotherm SH, Tool-Temp recomienda el portador de calor propio, TOOL-THERM SH3. Este es un portador de calor con base de aceite mineral que presenta una alta resistencia incluso a temperaturas de hasta 360°C.

Al utilizar aceites térmicos, hay que tener en cuenta que a temperaturas de > 250°C se pueden formar sedimentos de tipo coque en las tuberías, especialmente en la zona del depósito. Si aparecen estos residuos, los aceites envejecen más rápido y se acidifican. Al mismo tiempo, son más fácilmente inflamables porque los productos de craqueo¹ que se generan reducen la viscosidad y el punto de inflamación. En este caso, Tool-Temp recomienda comprobar regularmente la calidad del aceite utilizado y, en caso necesario, sustituirlo.

En la fabricación de piezas de moldeo a presión de aluminio, cinc y magnesio, el control de los procesos térmicos en el molde de la herramienta es decisivo para la eficiencia y la calidad del mecanizado. Un equilibrio térmico estable y la reducción de la temperatura máxima en la superficie del molde previenen daños prematuros en el molde de la herramienta, provocados, por ejemplo, por fisuras por tensión, y aumentan su vida útil considerablemente. Además, una gran parte de los desechos en el moldeo a presión suele deberse a una atemperación insuficiente del molde.

El moldeo a presión es un proceso industrial por el que se inyecta o prensa metal fundido en moldes de acero. Este proceso totalmente automático, en el que el metal líquido (aluminio, cinc o magnesio) se vierte en el molde con una presión de entre 1500 y 1200 bar, se utiliza mayoritariamente para producir grandes series. Las ventajas del moldeo a presión son la gran precisión reproducible de las piezas moldeadas, la complejidad de las piezas en cuanto a la forma y al espesor de las paredes, así como una alta rentabilidad. Los enormes requisitos mecánicos impuestos al procedimiento, como la fuerza de retención, las oscilaciones de temperatura y el desgaste debido a las altas fuerzas que se producen con la incidencia de la fundición, requieren máquinas y moldes costosos. Las unidades de periferia necesarias, como máquinas de pulverización de moldes, aparatos de calefacción y refrigeración para atemperar el molde y dispositivos de extracción y expulsores, implican un alto grado de automatización del proceso. En Tool-Temp ayudamos a nuestros clientes en este exigente proceso con aparatos de calefacción y refrigeración adaptados a las condiciones de cada caso. La refrigeración de estos complejos moldes se puede realizar con agua o aceite. El amplio catálogo de productos de Tool-Temp ofrece sistemas de atemperación aptos para ambas formas de refrigeración, que también se pueden integrar en el controlador de la máquina, si es necesario.

El proceso de moldeo a presión se divide en dos clases:

• Moldeo a presión con cámara fría
• Moldeo a presión con cámara caliente

La diferencia principal reside en el sistema de alimentación con el que se suministra el metal fundido líquido al proceso de colada. La elección de una variante u otra depende de la temperatura de fusión del material que se deba procesar.

3.1. Proceso con cámara caliente
Las máquinas de moldeo a presión con cámara caliente están compuestas por una prensa en la que está amarrado el molde y un horno con unidad de dosificación conectado directamente. El material fundido reposa en estado líquido en un crisol. Durante el proceso de inyección, el émbolo de inyección baja hasta la unidad de presión y empuja la fundición fuera de la cámara de presión a través del canal de ascenso y la tobera en las cavidades del molde. Después de la inyección, el émbolo vuelve a su posición de salida. Al mismo tiempo, la cavidad se abre y la pieza se prensa fuera de las mitades móviles del molde con ayuda de los expulsores. Cada ciclo dura entre 3 y 9 segundos, en función del tamaño de la pieza.

La unidad de inyección está en contacto permanente con la fundición líquida. Para no sobrecargar las piezas moldeadas de la unidad más allá de los límites técnicos, la temperatura de proceso en el procedimiento con cámara caliente está limitada a < 500°C, lo que significa que solo se pueden trabajar aleaciones metálicas con bajo punto de fusión. Las aleaciones de zinc y estaño son las más utilizadas. A temperaturas más altas, un contacto permanente de la fundición y la unidad de inyección ya no es posible, ya que el desgaste se aceleraría intensamente, la seguridad del proceso ya no estaría garantizada debido a la formación de escoria y a las adhesiones, y la fundición se contaminaría químicamente debido a los procesos de difusión de las piezas moldeadas de la unidad de inyección.

3.2. Proceso con cámara fría
Las máquinas de moldeo a presión con cámara fría solo se componen en rigor de la unidad de prensado en la que está montado el molde permanente y se deben alimentar externamente con el metal líquido. La dosificación antes de cada inyección se realiza manualmente o a través de un horno de fusión con robot dosificador. Además, antes de cada inyección se vierte la cantidad de material líquido necesario en la cámara de inyección. A continuación, la fundición se prensa en la cavidad con el molde permanente cerrado a una velocidad de hasta 200 m/s. Después del rápido enfriamiento, la herramienta se abre y la pieza se expulsa. En el proceso con cámara fría, los tiempos de ciclo pueden durar más de 30 segundos. Las aleaciones que se procesan incluyen las de aluminio, cobre y magnesio. Dado que, a diferencia del proceso con cámara caliente, la unidad de inyección (cámara y émbolo) está desacoplada del reservorio de fundición, la carga térmica se interrumpe cíclicamente. Sin embargo, las temperaturas de proceso son muy altas, con lo que los tiempos de parada están limitados a entre aprox. 50 000 y 200 000 inyecciones (aluminio).

3.3. Otros procedimientos

Además de las dos primeras variantes de moldeo a presión, existen otros procedimientos:

3.3a Método Acurad
El método Acurad se utiliza para piezas con paredes gruesas en las que las inclusiones gaseosas son críticas. A diferencia del moldeo a presión convencional, la fundición se desplaza a baja presión por un bebedero con un diámetro relativamente grande. De este modo, el material líquido se conduce al molde permanente en forma laminar y la cavidad se desgasifica uniformemente para que se produzcan menos inclusiones gaseosas en el material. Después de llenar el molde, un segundo cilindro presiona la fundición en fase de solidificación, con lo que se reduce la porosidad residual. Este proceso no es adecuado para piezas con paredes finas debido al lento llenado del molde.

3.3b Moldeo a presión por vacío y alto vacío
En el moldeo a presión por vacío, el molde permanente se evacúa antes de cada inyección. A continuación, el material líquido se inyecta en la cavidad sin aire y se solidifica. La evacuación provoca una disminución considerable de la concentración de gas en la fundición vertida. El moldeo a presión por vacío permite fabricar piezas de aluminio soldables y tratables térmicamente, dado que el oxígeno interferente se mantiene al mínimo.

3.3c Moldeo a presión tixotrópico
El moldeo a presión tixotrópico consiste en la inyección del material en estado parcialmente líquido. En este estado, los materiales se comportan como sólidos sin influencias externas. No obstante, si el material experimenta una tensión de cizalladura, fluye y deviene maleable. Este estado se puede alcanzar en diferentes masas con aleaciones a determinados intervalos de temperatura ajustados. Durante el estado tixotrópico, el material presenta una estructura muy favorable. El grano es muy fino y, con la inyección, el material no se licua, de manera que su volumen no cambia drásticamente, lo que previene los rechupes. La desventaja de este procedimiento son los altos costes de la materia prima, ya que esta debe presentar una aleación determinada para poder procesarla con seguridad. Además, el ajuste exacto del nivel de temperatura en el proceso en serie es muy laborioso.

En el moldeo a presión, los aditivos y los agentes desmoldeadores son cruciales.

En el moldeo a presión, el uso de agentes desmoldeadores es necesario para desmoldear las piezas sin problemas, alcanzar una alta calidad de la pieza y garantizar una refrigeración externa de la superficie del molde. La elección del producto adecuado reviste la máxima prioridad. El uso de agentes desmoldeadores inadecuados puede provocar una productividad reducida debido a tiempos de pulverización prolongados, tasas de desechos más altas causadas por la porosidad de la estructura, defectos de desmoldeo, mermas en la capacidad de recibir pintura de los componentes, un esfuerzo de limpieza mayor debido a los residuos del agente desmoldeador en la cavidad y el marco del molde, e incluso paradas de producción debido a adhesiones de metal en la cavidad. Los agentes desmoldeadores que se utilizan en el moldeo a presión de aluminio suelen ser líquidos y se aplican mediante pulverización. Estos agentes pueden tener base acuosa o no acuosa.

Agentes desmoldeadores con base acuosa
Los agentes desmoldeadores con base acuosa suelen consistir en agua en emulsiones de aceite. El agua sirve de matriz portadora, se evapora rápidamente debido al punto de ebullición relativamente bajo y enfría la capa de la herramienta que está cerca de la superficie. La emulsión permite realizar una aplicación uniforme de los componentes separadores, altamente viscosos.

La micropulverización es el nuevo planteamiento del cuidado de los recursos y consiste en pulverizar un volumen muy bajo en la superficie del molde. Esto tiene la ventaja de que no se necesita agua para diluir los agentes desmoldeadores, por lo que se puede prescindir de la costosa eliminación de las aguas residuales. Además, los tiempos de ciclo se reducen y no hay que preocuparse por la carga alterna térmica del molde. De este modo, se puede alargar la vida útil del molde notablemente.

Agentes desmoldeadores sin base acuosa
Aquí se utilizan aceites o disolventes con baja viscosidad como portadores. El efecto separador de la sustancia separadora es similar al del agua y sirve principalmente para lograr una distribución uniforme. No obstante, debido a la nebulización de los líquidos combustibles en el molde caliente, hay riesgo de incendio y peligro de carga ambiental.

En cuanto a la calidad de la pieza, la vida útil del molde y un proceso de moldeo a presión eficiente, además de los aditivos y agentes desmoldeadores, la atemperación o la refrigeración del molde también desempeñan un papel decisivo.

Hoy en día existen aplicaciones en las que los moldes de moldeo a presión solo se enfrían con agua y el calentamiento se lleva a cabo con quemadores de gas o calefactores de infrarrojos.

Por motivos técnicos y económicos, se han impuesto mayoritariamente los sistemas de calefacción y refrigeración que funcionan con temperaturas de aceite de hasta 360°C o de agua a presión de hasta 180°C.

• Calentamiento con quemadores de gas/calefactores de infrarrojos y refrigeración con agua fría
• Calentamiento y refrigeración con aceite portador de calor hasta 360°C
• Calentamiento y refrigeración con aparatos de agua a presión hasta 160°C o 230°C

La mayor desventaja de este método de atemperación son las grandes diferencias de temperatura y las tensiones resultantes del material en la herramienta. Esto tiene un efecto negativo en la vida útil de la herramienta y, además, provoca que con cada interrupción de la producción se deba llevar la herramienta de nuevo a la temperatura deseada. A consecuencia, los tiempos de aproximación y las tasas de desechos son considerablemente más altos. En la mayoría de los casos, se elige esta variante si los canales del molde son demasiado pequeños y, por lo tanto, es imposible utilizar sistemas de atemperación.

La atemperación con atemperadores, ya sean de agua o aceite, ofrece ventajas frente a esta variante en muchos sentidos.