En la inyección y la extrusión de plástico, el enfriamiento suele constituir la fase más larga del tiempo de ciclo; por ello, un chiller para plástico bien seleccionado y un enfriamiento de molde estable determinan directamente el rendimiento de la planta. Para que el polímero fundido solidifique dentro del molde es necesario extraer el calor de forma rápida y uniforme. Incluso una variación de pocos grados en la temperatura superficial del molde alarga el tiempo de ciclo, desplaza las dimensiones de la pieza y aumenta la tasa de rechazo. En este artículo abordamos principios prácticos y de orientación ingenieril, aplicables en planta, para los procesos de enfriamiento en inyección y en extrusión.
¿Por qué el enfriamiento del molde determina el tiempo de ciclo?
Dentro de la duración total de un ciclo de inyección, las fases de llenado y compactación son relativamente cortas; el tiempo real transcurre mientras la pieza se enfría hasta la temperatura a la que puede extraerse con seguridad del molde. Cuanto más rápida y homogénea sea la extracción de calor del molde, más corta será la fase de enfriamiento. Sin embargo, aquí el objetivo no es solo la velocidad: el enfriamiento debe ser equilibrado. Si una zona del molde se enfría rápido y otra despacio, aparecen alabeos, marcas de rechupe, tensiones internas y desviaciones dimensionales en la pieza.
Por eso, el enfriamiento de molde estable es una variable crítica que afecta al mismo tiempo al tiempo de ciclo, a la calidad de la pieza y a la tasa de rechazo. Un circuito de enfriamiento bien diseñado permite obtener del mismo molde más piezas por hora y con menos desperdicio. En la extrusión, la cuestión es enfriar de forma estable el perfil, el tubo o la película tras la calibración; la oscilación de la temperatura del agua se refleja directamente en la tolerancia dimensional y en la calidad superficial.
¿Chiller de proceso independiente o sistema centralizado?
En la arquitectura de un chiller para inyección de plástico existen dos enfoques básicos. El chiller de proceso independiente y dedicado a cada máquina responde de forma precisa a la necesidad de temperatura de ese molde, de modo que la variación de carga de una máquina no afecta a las demás; el mantenimiento y la puesta en marcha también pueden gestionarse máquina por máquina. En un sistema centralizado o compartido, en cambio, una única fuente de frío alimenta varias máquinas. Esto aporta ventajas en ocupación de suelo, redundancia común y eficiencia global; no obstante, dado que las fluctuaciones de carga entre máquinas pueden percibirse en el circuito común, es necesario diseñar bien el equilibrado hidrónico y la automatización.
La elección correcta depende del número de máquinas, de si los moldes requieren o no temperaturas distintas entre sí y de las expectativas de flexibilidad de producción. En talleres que cambian de molde con frecuencia y operan cada molde a una temperatura diferente, una infraestructura de enfriamiento centralizada alimentada mediante control de temperatura por máquina (mold temperature controller) suele ser la solución más equilibrada.
Estabilidad de temperatura, ΔT y caudal en el circuito del molde
El rendimiento del circuito del molde depende de la gestión conjunta de tres magnitudes: la temperatura de entrada del agua, el ΔT (diferencia de temperatura entre entrada y salida) y el caudal. El flujo en los canales del molde debe ser turbulento; en régimen laminar la transferencia de calor se debilita y la superficie del molde no se enfría de manera uniforme. Como principio práctico general, se busca un ΔT razonable en el circuito (del orden de pocos grados en la mayoría de aplicaciones de inyección); si el ΔT crece demasiado se genera una diferencia de temperatura entre el lado de entrada y el de salida del molde, y si se mantiene demasiado bajo aparecen un caudal y un consumo de bombeo innecesariamente altos.
Puntos prácticos a tener en cuenta en la aplicación:
- Garantice un caudal suficiente para mantener el flujo turbulento en los canales del molde; un canal estrangulado u obstruido deteriora el enfriamiento de forma localizada.
- Mantenga constante la temperatura de entrada del agua; si el valor de consigna del chiller fluctúa, también fluctúan el tiempo de ciclo y las dimensiones de la pieza.
- En aplicaciones que requieren baja temperatura de molde, evalúe conjuntamente la humedad ambiente y la temperatura superficial frente al riesgo de condensación (sudoración).
- En bajas temperaturas con humedad y en líneas con riesgo de congelación, utilice glicol en la proporción adecuada; considere en la selección del caudal el efecto del glicol sobre la viscosidad y la transferencia de calor.
- Haga que la temperatura de ida y retorno y el caudal de cada máquina sean monitorizables; en un circuito que opera a ciegas, el problema solo se detecta cuando aumenta el rechazo.
Calidad del agua, circuito cerrado y filtración
El aspecto más descuidado del enfriamiento de moldes es la calidad del agua. Como los canales del molde son estrechos, la cal, los productos de corrosión y la contaminación biológica se acumulan allí con rapidez. Incluso una fina capa de cal o suciedad actúa como aislante: eleva la temperatura superficial del molde, reduce la transferencia de calor y alarga la fase de enfriamiento. Con el tiempo, la sección del canal se estrecha, el caudal disminuye y una zona empieza a enfriarse de forma distinta a otra; es decir, el ciclo se alarga y, además, la calidad de la pieza se deteriora.
Por ello es importante diseñar el lado de proceso como circuito cerrado. En un circuito cerrado, el agua circula continuamente entre el mismo molde y el chiller; con un tratamiento de agua adecuado, filtración y, cuando sea necesario, el uso de inhibidores, los canales se mantienen limpios. En sistemas abiertos (por ejemplo, en circuitos conectados a una torre de refrigeración) la carga de minerales y suciedad es mucho mayor; en ese caso, separar el circuito del molde mediante un intercambiador es una forma eficaz de proteger los delicados canales del molde. Incluir la limpieza del filtro y del circuito en el mantenimiento periódico es una inversión muy inferior al coste posterior de rechazo y paradas.
Eficiencia durante todo el año: nota sobre el free cooling
Dado que los procesos de plástico suelen funcionar de forma ininterrumpida durante todo el año, en los meses en que baja la temperatura del aire exterior, enfriar una parte del circuito del molde mediante free cooling (enfriamiento gratuito) sin carga del compresor mecánico ofrece una oportunidad energética considerable a lo largo del año. La contribución real de esta técnica depende del clima, de la temperatura de agua objetivo y de las horas de funcionamiento; por ello, la posibilidad de free cooling debe evaluarse por separado en cada proyecto.
Breve lista de verificación para la aplicación en planta
Para sostener el rendimiento del enfriamiento en inyección y extrusión de plástico, el seguimiento regular en el taller de los siguientes puntos mantiene equilibrados el tiempo de ciclo y la tasa de rechazo: la estabilidad de la temperatura de consigna del chiller, los valores de ΔT de ida y retorno del molde, los caudales de los canales, la calidad del agua y el estado del filtro, y el riesgo de condensación. Estos cinco apartados abarcan la causa raíz de la mayoría de los problemas de calidad y eficiencia.
Planer, como fabricante de soluciones de chiller enfriado por aire y por agua para líneas de inyección y extrusión del sector plástico, le recomienda evaluar de forma conjunta la estabilidad de temperatura y la configuración de la calidad del agua del circuito de enfriamiento de su molde; para el diseño de capacidad y de circuito más adecuado a su aplicación, puede consultar al equipo de ingeniería y servicio de Planer.