Tecnologías básicas del análisis del flujo de moldes para la optimización de defectos en moldes de inyección

En la producción moderna de moldeo por inyección, los índices de defectos del producto, el desperdicio de material y las paradas de producción causadas por defectos en el molde son problemas comunes en la industria. Según las estadísticas del sector, la tasa de éxito en la primera prueba de moldes sin optimización mediante análisis de flujo es solo del 40 % al 50 %, mientras que los defectos comunes provocan una disminución directa de la eficiencia de producción superior al 30 %. Basado en la dinámica de fluidos computacional (CFD) y los principios de la termodinámica, el análisis de flujo del molde permite simular con precisión todo el proceso de fusión del plástico en la cavidad del molde, proporcionando una base científica para el diseño del molde y el ajuste del proceso. El molde de prueba de estrías es fundamental para verificar los resultados del análisis, y la combinación de ambos constituye el sistema central para el control de defectos.

I. Defectos comunes de los moldes de inyección y su impacto en la producción

1. Tipos de defectos comunes

Los defectos típicos en la producción de moldes de inyección incluyen rebabas, inyección incompleta, burbujas de aire, deformaciones por alabeo, líneas de soldadura y marcas de hundimiento. Entre estos, la tasa de aparición de rebabas en productos de paredes delgadas alcanza el 60%; las líneas de soldadura son comunes en productos con cavidades complejas; y las deformaciones por alabeo son frecuentes en productos de plásticos de ingeniería como el ABS y el PC.

2. Impacto en la eficiencia de la producción y la calidad del producto

La tasa de reprocesamiento por rebabas es de aproximadamente el 15 % al 20 %, con un tiempo promedio de reprocesamiento de 3 a 5 minutos por pieza; el desperdicio de material por inyecciones incompletas representa entre el 8 % y el 12 %; y la tasa de desecho de productos con deformación por alabeo puede alcanzar el 25 %. Además, el tiempo de parada del molde y depuración debido a la gestión de defectos supone entre el 20 % y el 25 % del tiempo total de producción, lo que limita considerablemente la capacidad productiva.

II. Principios básicos y datos clave del análisis de flujo de moldeo

1. Principio básico del análisis de flujo de molde

Mediante la creación de un modelo de molde 3D y una base de datos de materiales plásticos, simula todo el proceso de fusión, desde la inyección hasta el enfriamiento y la solidificación. Con ayuda de cálculos numéricos, reproduce la distribución de los campos de temperatura, presión y velocidad, y predice la ubicación y la causa de los defectos.

2. Interpretación de los indicadores clave de datos

Los indicadores clave incluyen el tiempo de flujo, la distribución de presión, la distribución de temperatura, la velocidad de cizallamiento y el tiempo de solidificación. La variación en el tiempo de flujo debe controlarse dentro de ±0,3 s; la presión máxima de inyección en la cavidad debe ser inferior al 85 % de la presión admisible del molde (la presión admisible de los moldes de plástico de ingeniería general es de 150-200 MPa); el error de uniformidad en la distribución de temperatura debe ser ≤5 °C; la velocidad de cizallamiento debe controlarse entre 1000 y 5000 s⁻¹; y el tiempo de solidificación suele representar entre el 70 % y el 80 % del tiempo total de enfriamiento.

III. Métodos básicos de análisis del flujo del molde para la optimización de defectos en moldes de inyección

1. Optimización del diseño de la puerta

(1) Determinación de la posición de la compuerta: Basándose en la simulación del flujo de la masa fundida, la compuerta se ubica en el punto más alejado del flujo dentro de la cavidad o en la posición con el mayor espesor de pared, evitando las zonas críticas de soporte de tensión del producto. Para productos de una sola cavidad, generalmente se utilizan entre una y dos compuertas.

Optimización del tamaño de la compuerta: Calculado en función de la fluidez del material y el peso del producto, el diámetro de la compuerta para productos pequeños de PP es de 0,8 a 1,2 mm, y para productos grandes, es de 1,5 a 2,5 mm.

2. Optimización del sistema de ejecución

Diseño del sistema de canales: Se prioriza un diseño equilibrado para garantizar una distancia de flujo de material fundido y una pérdida de presión uniformes en cada cavidad. La diferencia en la longitud de los canales debe controlarse dentro del 5 %. El diámetro del canal principal es de 1 a 2 mm mayor que el de los canales secundarios, y el diámetro de estos últimos es de 4 a 8 mm.

Optimización del tamaño del canal de alimentación: Asegurar que la pérdida de presión del material fundido en el canal de alimentación sea ≤30MPa y reducir la diferencia de tiempo de llenado de los moldes multicavidad a menos de 0,2s.

3. Optimización del sistema de refrigeración

Diseño de los canales de refrigeración por agua: Se basa en el principio de proximidad a la cavidad y distribución uniforme. La distancia entre el canal de agua y la superficie de la cavidad es de 15 a 25 mm, y la separación entre canales es de 25 a 35 mm. Los canales de agua conformados se utilizan en moldes con superficies curvas complejas, lo que permite mejorar la uniformidad de la refrigeración en más de un 40 %.

Selección del medio de enfriamiento: Para productos comunes se utiliza agua de enfriamiento industrial (temperatura 20-25 ℃) con un caudal de 1,5-2,5 m/s; para plásticos de ingeniería o productos de paredes gruesas se utiliza enfriamiento con agua helada (temperatura 5-10 ℃), y la fluctuación de temperatura de la superficie del molde es ≤3 ℃.

4. Optimización de los parámetros del proceso de inyección

Presión y velocidad de inyección: La presión de inyección se ajusta a 1,1-1,2 veces la presión máxima de la cavidad. Se adopta una velocidad segmentada: 30-50 mm/s en la etapa inicial de llenado, 60-100 mm/s en la etapa intermedia y 20-40 mm/s en la etapa final.

Presión y tiempo de mantenimiento: La presión de mantenimiento es del 60 % al 80 % de la presión de inyección. El tiempo de mantenimiento está determinado por el espesor de la pared del producto: por cada milímetro de aumento en el espesor de la pared, el tiempo de mantenimiento se extiende de 1 a 1,5 segundos.

Temperatura de moldeo: La temperatura del cilindro es de 20 a 40 ℃ superior al punto de fusión del plástico (200-240 ℃ para materiales ABS, 260-300 ℃ para materiales PC); para la temperatura del molde, es de 40 a 80 ℃ para plásticos cristalinos y de 60 a 120 ℃ para plásticos amorfos.

IV. Aplicación de moldes de prueba de estrías en el análisis de flujo de moldes

1. Descripción general de los moldes de prueba de estrías

Molde estándar diseñado específicamente para verificar los resultados del análisis de flujo de moldeo, con dimensiones de estrías de tracción estándar ISO 527-2 (170 mm × 15 mm × 4 mm). Puede diseñarse con una o varias cavidades y está equipado con compuertas, canales de alimentación y sistemas de refrigeración estándar. Al producir estrías estándar, se verifica la concordancia entre el comportamiento del moldeo del material y los datos del análisis.

2. Puntos clave de diseño de los moldes de prueba de estrías

El material del núcleo del molde es preferiblemente acero para moldes S136 o H13, con una dureza de HRC50-55 después del tratamiento térmico; la rugosidad superficial de la cavidad es Ra≤0,8μm; el sistema de eyección utiliza una combinación de pasadores eyectores y placas eyectoras, con un diámetro de pasador eyector de 2-3 mm y una separación de 30-40 mm; y se reservan orificios de montaje para sensores de temperatura para monitorear la temperatura de la cavidad en tiempo real.

3. Papel de las pruebas de estrías en el análisis del flujo de moldes

Funciona como un «calibrador» para los resultados del análisis, corrigiendo los parámetros del modelo mediante la comparación de datos simulados y medidos. Por ejemplo, si el análisis del flujo del molde predice una deformación de la estría de 0,5 mm y la medición real es de 0,52 mm, el error se puede reducir a ±3 % tras el ajuste. Asimismo, permite verificar los parámetros del proceso con antelación, como por ejemplo, comprobar la resistencia de la línea de soldadura de las estrías a diferentes velocidades de inyección para determinar el rango óptimo del proceso.

V. Análisis de casos prácticos

Una empresa utilizó material ABS para fabricar molduras para puertas de automóviles. La primera prueba del molde mostró líneas de soldadura severas y deformaciones por alabeo, con una tasa de defectos del 12 %. El análisis del flujo del molde reveló que el diseño de entrada única del molde original generaba un recorrido de llenado de material fundido excesivamente largo, y la distribución irregular de los canales de agua de refrigeración provocaba una diferencia de temperatura de 8 °C en la cavidad.

Plan de optimización: Añadir una compuerta auxiliar y adoptar un canal equilibrado; ajustar la separación de los canales de agua de refrigeración a 30 mm y añadir dos canales de agua conformados. Las pruebas de estrías mostraron que la resistencia a la tracción de la línea de soldadura de las estrías aumentó de 18 MPa a 25 MPa, y la deformación disminuyó de 0,8 mm a 0,3 mm.

Tras aplicar el plan de optimización, la resistencia de la línea de soldadura del producto cumplió con el estándar, la deformación por alabeo fue controlable, la tasa de defectos se redujo al 2,5%, la eficiencia de producción aumentó un 28% y el desperdicio de material por lote disminuyó un 10%.

VI. Tendencias de desarrollo de la tecnología de análisis de flujo de moldes

1. Integración con IA y Big Data

En su camino hacia la inteligencia artificial, los algoritmos de IA identifican automáticamente defectos de diseño y áreas de optimización de parámetros, y se combinan con macrodatos para lograr el autoaprendizaje y la autocalibración de los modelos. Algunos sistemas pueden completar el análisis integral de moldes complejos en tan solo 10 minutos, mejorando la eficiencia en más del 50 %.

2. Simulación de acoplamiento de campos multifísicos

Reforzar el análisis de acoplamiento del campo de flujo, el campo de temperatura y el campo de tensiones, simular la interacción entre el flujo de fusión y la deformación de la estructura del molde, y combinarlo con la simulación colaborativa por software para lograr la verificación digital de cadena completa desde el diseño hasta la predicción del rendimiento.

VII. Conclusión

El análisis del flujo del molde es la tecnología clave para optimizar la corrección de defectos en moldes de inyección, y los moldes de prueba de estrías mejoran la fiabilidad de las soluciones de optimización. Al optimizar el diseño y los procesos, junto con la verificación mediante pruebas de estrías, se puede reducir significativamente la incidencia de defectos y mejorar la tasa de éxito en la primera prueba del molde. Con el desarrollo de la integración tecnológica, el análisis del flujo del molde desempeñará un papel aún más importante en el campo del moldeo por inyección de precisión, impulsando la transformación de la industria hacia una mayor eficiencia, precisión e inteligencia. Establecer un sistema de ciclo cerrado de "análisis del flujo del molde - prueba de estrías - optimización del molde" es fundamental para que las empresas mejoren su competitividad.