Inyecciones cortas en moldeo por inyección: análisis de causas, soluciones y casos prácticos
En el campo de la producción de moldeo por inyección de plástico, las inyecciones insuficientes se encuentran entre los defectos de calidad más comunes y destructivos. Una inyección insuficiente se refiere a una situación en la que el plástico fundido no llena completamente la cavidad del molde durante el proceso de llenado, lo que genera problemas como escasez de material, bordes incompletos y relleno de huecos en áreas de paredes delgadas del producto moldeado. Estos problemas afectan directamente la integridad estructural, la precisión del ensamblaje y la calidad estética del producto.
Un caso de un fabricante de vehículos de nueva energía muestra que un problema de disparo corto solo en parachoques de paredes delgadas provocó que la línea de producción del cliente se detuviera durante 8 horas, lo que resultó en pérdidas económicas directas superiores a 500.000 yuanes (Nota: si la conversión a una moneda extranjera es más apropiada al contexto, se puede utilizar "más de 70.000 dólares estadounidenses", con la tasa de conversión basada en la tasa de mercado promedio alrededor de 2024).
Partiendo del mecanismo esencial de los disparos cortos, este artículo desglosará sistemáticamente las cuatro causas principales, brindará soluciones integrales que cubran materiales, moldes, procesos y equipos, e ilustrará los caminos de implementación con casos prácticos.
I. La naturaleza de los tiros cortos: alteración dinámica del equilibrio del flujo
La formación de disparos cortos no se debe a un solo factor; su esencia reside en la alteración del equilibrio dinámico entre la energía propulsiva y la resistencia al flujo del plástico fundido durante el proceso de llenado. Desde la perspectiva de un mecanismo microscópico, para que el frente de fusión complete el llenado de la cavidad, debe superar tres tipos de resistencia principales:
1. Resistencia viscosa de la propia masa fundida: generada por la viscosidad del material y la fricción del canal;
2. Caída de presión: la pérdida de presión de la masa fundida desde la compuerta hasta el final de la cavidad aumenta exponencialmente con la longitud de la trayectoria de flujo;
3. Gradiente de temperatura: el enfriamiento de la masa fundida produce un aumento brusco de la viscosidad: por cada caída de 10 °C en la temperatura, la viscosidad puede aumentar 2,3 veces (según la ecuación de Arrhenius).
Cuando la suma de estas resistencias excede la fuerza propulsiva proporcionada por el sistema de inyección, el frente de fusión se solidifica antes de llenar completamente la cavidad, lo que produce el defecto de inyección corta.
Las manifestaciones típicas de tiros cortos incluyen:
● Escasez progresiva de material (adelgazamiento gradual desde la compuerta hasta el final de la pieza);
● Interrupción intermitente del flujo (aparición de "líneas similares a juntas de bambú" en la superficie);
● Insuficiente llenado general (llenado insuficiente de toda la cavidad);
● Escasez de material local (estructuras complejas o zonas de malla sin rellenar).
Diferentes manifestaciones corresponden a diferentes combinaciones de causas.
II. Cuatro causas fundamentales: rastreo de la cadena completa desde los materiales hasta el equipo
(1) Propiedades del material: limitaciones innatas de la capacidad de flujo
Los materiales son el factor fundamental que afecta a los disparos cortos, y las cuestiones principales se centran en dos aspectos: fluidez y pureza.
Los materiales de alta viscosidad (p. ej., PC, PPO, PC + 20 % de carga mineral) presentan una alta resistencia al flujo de fusión. Especialmente en productos de paredes delgadas (≤2 mm) o con un largo recorrido de flujo (relación de flujo > 100:1), es muy probable que se produzcan disparos cortos debido a un flujo insuficiente. Las impurezas, las partículas no fundidas o el exceso de lubricantes en las materias primas agravan aún más el problema: las impurezas pueden bloquear los canales y formar obstáculos al flujo, mientras que el exceso de lubricantes puede provocar deslizamiento de la masa fundida, reduciendo la presión de llenado efectiva.
Además, en el caso de materiales reforzados con fibra de vidrio (p. ej., PP + 30 % de fibra de vidrio), la reorientación de las fibras de vidrio aumenta la resistencia al flujo. Las zonas con fibras largas concentradas pueden incluso formar una estructura en red, lo que dificulta el avance de la masa fundida.
(2) Diseño de moldes: defectos estructurales en las trayectorias de flujo
La racionalidad del diseño del molde determina directamente la fluidez del flujo de la masa fundida. Algunos problemas de diseño comunes incluyen:
● Diseño inadecuado de los canales y compuertas (canales excesivamente delgados, posiciones de compuertas desplazadas o compuertas de tamaño insuficiente), lo que provoca una pérdida excesiva de presión;
● Ventilación deficiente de la cavidad: el aire atrapado no puede escapar, lo que genera una contrapresión que obstruye el llenado de la masa fundida;
● Disposición poco razonable del sistema de enfriamiento: el sobreenfriamiento local provoca que la masa fundida se solidifique prematuramente;
● Geometría compleja del producto (por ejemplo, mallas densas, nervaduras estrechas): aumenta la resistencia al flujo y forma fácilmente zonas de estancamiento del flujo.
Por ejemplo, el área de malla de la cubierta inferior de una computadora portátil (NB) tiene una gran área de contacto y una rápida disipación del calor: no solo es un área de alto riesgo para disparos cortos, sino que también es propensa a defectos de rebaba debido a la alta presión requerida para el llenado.
(3) Parámetros del proceso: Desequilibrio en la adaptación de las condiciones de moldeo
Los parámetros del proceso son la causa más directa de los disparos cortos, y el núcleo de estos reside en la correspondencia triangular entre temperatura, presión y velocidad.
● Una presión o velocidad de inyección insuficiente da como resultado una fuerza de propulsión de la masa fundida inadecuada; por el contrario, una velocidad excesivamente alta puede atrapar aire, mientras que una velocidad excesivamente baja hace que la masa fundida se solidifique prematuramente.
● Una temperatura de fusión o de molde baja aumenta significativamente la viscosidad de la fusión. Por ejemplo, la fluidez del material PP a 200 °C es mucho menor que en su rango de temperatura óptimo (220-240 °C).
● Los ajustes incorrectos de la presión de mantenimiento (por ejemplo, tiempo de conmutación retrasado, presión insuficiente) no compensan la contracción de la masa fundida, lo que genera escasez de material al final de la pieza.
La estrategia de inyección a velocidad constante de "talla única" en los procesos tradicionales no puede adaptarse a la ley de caída de presión de los productos con trayectorias de flujo largas, lo que también es una causa clave de inyecciones cortas progresivas.
(4) Rendimiento del equipo: Precisión insuficiente en la transferencia de energía
El rendimiento de las máquinas de moldeo por inyección afecta directamente la estabilidad del suministro de energía, y la incidencia de disparos cortos varía significativamente entre máquinas de diferentes marcas. En el caso de las máquinas de moldeo por inyección eléctricas, los factores clave que influyen son la precisión de la transferencia de presión, la estabilidad del caudal y la uniformidad del campo de temperatura.
● Las máquinas Fanuc tienen una alta tasa de caída del caudal (hasta un 60%), lo que fácilmente conduce a una escasez progresiva de material;
● Los retrasos en la respuesta de la válvula de conmutación de presión de retención de las máquinas Sumitomo pueden provocar una interrupción intermitente del flujo;
● Las fluctuaciones de velocidad en las máquinas haitianas generan inestabilidad de presión, lo que provoca un llenado insuficiente general.
Además, defectos en el equipo como tolvas vacías, entradas de alimentación bloqueadas y válvulas de retención desgastadas pueden causar una caída en la presión de inyección real o fugas de presión, lo que empeora aún más los problemas de inyección corta.
III. Soluciones integrales: una estrategia sistemática desde la prevención hasta la erradicación
(1) Optimización de materiales: mejora de la capacidad de flujo en la fuente
La clave del ajuste del material es reducir la resistencia al flujo, lo que se puede lograr mediante tres enfoques:
1. Reemplace con grados de resina de mejor fluidez: seleccione materiales con mayor tasa de flujo de fusión (MFR) para reducir la presión de inyección requerida para el llenado;
2. Modificación de la materia prima: Mejorar la fluidez de la masa fundida añadiendo plastificantes, reduciendo la proporción de rellenos u optimizando la distribución de la longitud de las fibras de vidrio;
3. Pretratamiento de la materia prima: Controle estrictamente el contenido de impurezas y seque completamente los materiales higroscópicos para evitar fluctuaciones de viscosidad causadas por la humedad.
Para materiales reforzados con fibra de vidrio, como PP + 30 % GF, la relación de compresión del tornillo y la longitud de la sección de mezcla se pueden ajustar para reducir la rotura de la fibra de vidrio y disminuir la resistencia al flujo.
(2) Optimización del molde: construcción de un sistema de flujo uniforme
La mejora del molde requiere una optimización precisa combinada con el análisis del flujo del molde CAE:
Diseño de canales y compuertas: Ampliar el tamaño de los canales, optimizar la posición de las compuertas (p. ej., cambiando de compuerta lateral a compuerta central) y equilibrar el tiempo de llenado de cada cavidad. Un componente automotriz logró un aumento del 20 % en la velocidad de llenado mediante este método.
● Sistema de ventilación: agregue ranuras de ventilación (profundidad ≤ 0,02 mm, ancho 5-10 mm) al final de la cavidad y las áreas de acumulación de aire, o utilice inserciones de acero poroso para eliminar el impacto de la contrapresión;
● Sistema de enfriamiento: evite el sobreenfriamiento local; para productos con un largo recorrido de flujo, se pueden instalar varillas de calentamiento adicionales en el extremo para mantener la temperatura de fusión;
● Productos de estructura compleja: optimice la geometría del producto a través de la simulación CAE, como engrosar áreas de paredes delgadas o simplificar las rutas de flujo, para reducir la resistencia al flujo.
(3) Optimización de procesos: lograr un control preciso de los procesos
La clave para el ajuste del proceso es establecer una relación de correspondencia dinámica entre "temperatura, presión y velocidad":
● Control de temperatura: aumentar adecuadamente la temperatura de fusión (por ejemplo, aumentar la temperatura del PP de 200 °C a 220-240 °C) y la temperatura del molde para reducir la viscosidad de la fusión, evitando al mismo tiempo la degradación del material causada por temperaturas excesivamente altas;
Control de presión y velocidad: Adopte una estrategia de inyección segmentada y ajuste dinámicamente los parámetros según la longitud del flujo. Por ejemplo, utilice alta presión y alta velocidad en la etapa inicial para establecer rápidamente un gradiente de presión, mantenga la presión en la etapa intermedia para compensar la caída de presión y reduzca la velocidad en la etapa final para evitar la evaporación instantánea. Al mismo tiempo, utilice una presión de mantenimiento decreciente gradualmente para evitar cambios repentinos de presión.
● Principio de ajuste de parámetros: siga el principio "pequeño y gradual": ajuste la presión de inyección entre un 5 % y un 10 % cada vez para evitar nuevos defectos causados por cambios drásticos de parámetros.
(4) Optimización de equipos: garantizar una transferencia de energía estable
La optimización a nivel de equipo incluye:
● Calibre periódicamente la presión de inyección y la precisión del caudal para garantizar la precisión de la transmisión de presión;
● Inspeccione y reemplace las válvulas de retención desgastadas para evitar fugas de presión;
Desarrollar parámetros diferenciados según las características de las máquinas de diferentes marcas. Por ejemplo, las máquinas Fanuc deben centrarse en compensar la caída del caudal, las Sumitomo deben optimizar la sincronización de la conmutación de la presión de mantenimiento, y las máquinas Haitian deben controlar las fluctuaciones de velocidad.
● Para productos con recorridos de flujo largos y paredes delgadas, seleccione equipos con mayor estabilidad en volumen de inyección, presión y velocidad para evitar inyecciones cortas causadas por una capacidad insuficiente del equipo.
IV. Casos prácticos: El camino desde los tiros cortos masivos hasta el rendimiento del 95%
Caso 1: Solución a los disparos cortos en parachoques de paredes delgadas para vehículos de nueva energía
Un fabricante de automóviles fabricó parachoques de paredes delgadas de PP + 30 % de fibra de vidrio (espesor de pared: 1,8 mm, relación de flujo: 120:1). Las tres máquinas de moldeo por inyección eléctricas experimentaron inyecciones de masa insuficiente, con una escasez de material de 2 a 5 mm al final de las piezas. El método tradicional de aumentar la presión de inyección solo mejoró el problema en un 15 % y provocó rebabas graves.
Solución: Se adoptó una estrategia de optimización acoplada de "características del equipo - comportamiento del material - parámetros del proceso":
● Para máquinas Fanuc: Se implementó la inyección segmentada (etapa inicial: 140 MPa/200 mm/s → etapa intermedia: 120 MPa/150 mm/s → etapa final: 100 MPa/100 mm/s). Se instalaron varillas de calentamiento adicionales al final de los canales para aumentar la temperatura final de 185 °C a 220 °C, lo que redujo la viscosidad en un 48 %.
● Para las máquinas Sumitomo: se optimizó el tiempo de conmutación de la presión de retención para acortar el retraso de respuesta a 0,05 segundos, y el ángulo R en las curvas del canal se amplió a 1,5 mm;
● Para las máquinas haitianas: se ajustó la longitud de la sección de mezcla de tornillo para reducir la dispersión desigual de las fibras de vidrio y se controló la fluctuación de velocidad dentro de ±1 rpm.
Finalmente, el defecto del disparo corto se resolvió por completo, el rendimiento aumentó del 70% al 95% y el volumen del destello disminuyó en un 80%.
Caso 2: Solución colaborativa para disparos cortos y destellos en el área de malla de las cubiertas inferiores de NB
La cubierta inferior de una computadora portátil (NB) (grosor de pared: 1,2 mm, PC + 20 % de relleno mineral) presentaba disparos cortos y rebabas coexistentes debido a la densidad de las mallas. Tres ajustes en la compuerta no mostraron una mejora significativa. El análisis de flujo del molde CAE reveló que la zona de la malla presentaba alta resistencia al flujo y presión concentrada.
Solución:
● La malla se optimizó utilizando un modelo de corrección de espesor de pared equivalente, ajustando el espesor de pared del área de la malla a 1,05 mm;
● Se rediseñó el sistema de compuertas: se cambió de compuertas de cuatro puntos a compuertas simétricas de dos puntos y se amplió el diámetro del canal transversal a 8 mm;
● Se agregaron ranuras de microventilación (profundidad: 0,015 mm) en el área de malla densa;
● Se ajustaron los parámetros del proceso: aumentando la temperatura de fusión de 260 °C a 275 °C y adoptando la estrategia de "llenado a baja velocidad - mantenimiento a alta presión".
Después de la optimización, se eliminó el defecto de disparo corto y la tasa de defecto de rebaba se redujo del 35% al 2%.
V. Conclusión: Lógica central de la prevención y el control de tiros cortos
El problema de las inyecciones cortas en el moldeo por inyección radica esencialmente en un desajuste entre el sistema de flujo, la transferencia de energía y las propiedades del material. Prevenir y controlar las inyecciones cortas requiere establecer un sistema de circuito cerrado de «prevención, diagnóstico y optimización».
● Los riesgos potenciales se previenen en la etapa de diseño mediante el análisis de flujo de molde CAE;
● Las causas se diagnostican con precisión en función de las manifestaciones del defecto;
● Se logra una solución radical mediante la optimización colaborativa de materiales, moldes, procesos y equipos.
Con la creciente popularidad del moldeo por inyección de precisión, la prevención y el control de las inyecciones cortas han evolucionado desde un simple ajuste de parámetros hasta una ingeniería de sistemas multidimensional. Solo dominando su mecanismo central y combinándolo con la experiencia práctica podemos mejorar eficazmente el rendimiento del producto y reducir los costos de producción.
