El moldeo rotacional ( BrE : molding ) implica un molde calentado que se llena con una carga o peso de inyección del material. Luego se gira lentamente (generalmente alrededor de dos ejes perpendiculares), lo que hace que el material ablandado se disperse y se adhiera a las paredes del molde formando una pieza hueca. Para formar un espesor uniforme en toda la pieza, el molde gira en todo momento durante la fase de calentamiento y luego continúa girando durante la fase de enfriamiento para evitar que se combe o deforme. El proceso se aplicó a los plásticos en la década de 1950, pero en los primeros años se usó poco porque era un proceso lento restringido a una pequeña cantidad de plásticos. Con el tiempo, las mejoras en el control del proceso y los desarrollos con polvos plásticos han dado como resultado un mayor uso.
En comparación, el rotocasting (también conocido como rotocasting) utiliza resinas autocurables o curables por rayos UV (a diferencia de los termoplásticos) en un molde sin calentar, pero comparte velocidades de rotación lentas con el moldeo rotacional. Este tipo de rotocasting no debe confundirse con la fundición centrífuga .
En 1855, una patente de R. Peters en Gran Bretaña documentó el primer uso de un mecanismo rotatorio que producía “dos movimientos centrífugos en ángulo recto entre sí” por medio de engranajes biselados y calor. Este proceso de moldeo rotacional se utilizó para crear proyectiles de artillería y otros recipientes huecos, cuyo principal propósito era crear consistencia en el espesor y la densidad de las paredes. En una patente estadounidense de 1905, FA Voelke describió un método que incluía un polímero para la producción de artículos utilizando cera de parafina. El desarrollo condujo al proceso de GS Baker y GW Perks para producir huevos de Pascua huecos de chocolate en 1910. El moldeo rotacional se había desarrollado aún más cuando RJ Powell mencionó la relación comúnmente utilizada de 4:1 entre los ejes de rotación mayor y menor a velocidades de rotación lentas. Su patente cubría este proceso para moldear objetos huecos a partir de yeso de París en la década de 1920. Estos primeros métodos que utilizaban materiales diferentes dirigieron los avances en la forma en que se utiliza hoy el moldeo rotacional con plásticos. [1] [2]
Los plásticos se introdujeron en el proceso de moldeo rotacional a principios de los años 50. Una de las primeras aplicaciones fue la fabricación de cabezas de muñecas. La maquinaria estaba formada por una máquina de horno de caja E Blue, inspirada en un eje trasero de General Motors, accionada por un motor eléctrico externo y calentada por quemadores de gas montados en el suelo. El molde estaba hecho de níquel-cobre electroformado y el plástico era un plastisol de cloruro de polivinilo (PVC) líquido . El método de enfriamiento consistía en colocar el molde en agua fría. Este proceso de moldeo rotacional dio lugar a la creación de otros juguetes de plástico. A medida que la demanda y la popularidad de este proceso aumentaron, se utilizó para crear otros productos como conos de carretera, boyas marinas y reposabrazos para automóviles. Esta popularidad llevó al desarrollo de maquinaria de mayor tamaño. También se creó un nuevo sistema de calentamiento, pasando de los originales chorros de gas directos al actual sistema indirecto de aire a alta velocidad. En Europa durante la década de 1960 se desarrolló el proceso Engel. Este permitió fabricar grandes contenedores huecos en polietileno de baja densidad . El método de enfriamiento consistió en apagar los quemadores y dejar que el plástico se endureciera mientras aún se balanceaba en el molde. [3]
En 1976 se fundó en Chicago la Association of Rotational Molders (ARM), una asociación comercial de alcance mundial cuyo principal objetivo es aumentar la concienciación sobre la tecnología y el proceso de rotomoldeo. [3]
En la década de 1980, se introdujeron nuevos plásticos, como el policarbonato , el poliéster y el nailon , en el moldeo rotacional. Esto ha dado lugar a nuevos usos para este proceso, como la creación de tanques de combustible y molduras industriales. La investigación que se ha realizado desde finales de la década de 1980 en la Queen's University de Belfast ha llevado al desarrollo de un seguimiento y control más precisos de los procesos de enfriamiento basados en el desarrollo del "sistema Rotolog". [3] [4]
Las máquinas de moldeo rotacional se fabrican en una amplia gama de tamaños. Normalmente constan de moldes, un horno, una cámara de enfriamiento y husillos de moldeo. Los husillos están montados sobre un eje giratorio, que proporciona un recubrimiento uniforme del plástico dentro de cada molde. [5]
Los moldes (o herramientas) se fabrican a partir de chapa de acero soldada o de fundición. El método de fabricación suele depender del tamaño y la complejidad de la pieza; la mayoría de las piezas intrincadas probablemente se fabrican con herramientas de fundición . Los moldes se fabrican normalmente de acero inoxidable o aluminio . Los moldes de aluminio suelen ser mucho más gruesos que los moldes de acero equivalentes, ya que es un metal más blando. Este grosor no afecta mucho a los tiempos de ciclo porque la conductividad térmica del aluminio es mucho mayor que la del acero. Debido a la necesidad de desarrollar un modelo antes de la fundición, los moldes de fundición tienden a tener costos adicionales asociados con la fabricación de las herramientas, mientras que los moldes de acero o aluminio fabricados, especialmente cuando se utilizan para piezas menos complejas, son menos costosos. Sin embargo, algunos moldes contienen tanto aluminio como acero. Esto permite espesores variables en las paredes del producto. Si bien este proceso no es tan preciso como el moldeo por inyección , proporciona al diseñador más opciones. La adición de aluminio al acero proporciona más capacidad térmica , lo que hace que el flujo de fusión permanezca en un estado fluido durante un período más largo.
Normalmente todos los sistemas de moldeo rotacional incluyen moldes, horno, cámara de enfriamiento y husillos de molde. Los moldes se utilizan para crear la pieza y, por lo general, están hechos de aluminio. La calidad y el acabado del producto están directamente relacionados con la calidad del molde que se utiliza. El horno se utiliza para calentar la pieza y, al mismo tiempo, rotarla para darle la forma deseada. La cámara de enfriamiento es donde se coloca la pieza hasta que se enfría y se montan los husillos para que giren y proporcionen una capa uniforme de plástico dentro de cada molde.
Se trata de una máquina especializada diseñada principalmente para producir piezas largas y estrechas. Algunas son del tipo concha, con un brazo, pero también hay máquinas de tipo lanzadera con dos brazos. Cada brazo hace girar o hacer rodar el molde 360 grados en una dirección y, al mismo tiempo, inclina y balancea el molde 45 grados por encima o por debajo de la horizontal en la otra dirección. Las máquinas más nuevas utilizan aire caliente forzado para calentar el molde. Estas máquinas son mejores para piezas grandes que tienen una gran relación longitud-ancho. Debido a las cámaras de calentamiento más pequeñas, se ahorran costos de calentamiento en comparación con las máquinas biaxiales. [6]
Se trata de una máquina de moldeo rotacional de un solo brazo. El brazo suele estar sostenido por otros brazos en ambos extremos. La máquina de concha calienta y enfría el molde en la misma cámara. Ocupa menos espacio que las máquinas de moldeo rotacional de brazo oscilante y lanzadera equivalentes. Su coste es bajo en comparación con el tamaño de los productos fabricados. Está disponible en escalas más pequeñas para las escuelas interesadas en la creación de prototipos y para modelos de alta calidad. Se puede conectar más de un molde al brazo único. [7]
La zona de carga y descarga se encuentra en la parte delantera de la máquina, entre las zonas de calentamiento y enfriamiento. Estas máquinas varían en tamaño, desde pequeñas a medianas en comparación con otras máquinas rotativas. Las máquinas de moldeo rotativo verticales son energéticamente eficientes, debido a la compacidad de sus cámaras de calentamiento y enfriamiento. Estas máquinas tienen las mismas (o similares) capacidades que las máquinas de carrusel horizontal de múltiples brazos, pero ocupan mucho menos espacio. [8]
La mayoría de las máquinas lanzadera tienen dos brazos que mueven los moldes de un lado a otro entre la cámara de calentamiento y la estación de enfriamiento. Los brazos son independientes entre sí y hacen girar los moldes de forma biaxial. En algunos casos, la máquina lanzadera tiene un solo brazo. Esta máquina mueve el molde en una dirección lineal dentro y fuera de las cámaras de calentamiento y enfriamiento. Tiene un bajo costo para el tamaño del producto producido y el espacio que ocupa se mantiene al mínimo en comparación con otros tipos de máquinas. También está disponible en una escala más pequeña para escuelas y creación de prototipos. [7]
La máquina de brazo oscilante puede tener hasta cuatro brazos, con un movimiento biaxial. Cada brazo es independiente de los demás, ya que no es necesario operar todos los brazos al mismo tiempo. Cada brazo está montado en una esquina del horno y oscila dentro y fuera del horno. En algunas máquinas de brazo oscilante, un par de brazos se monta en la misma esquina, de modo que una máquina de cuatro brazos tiene dos puntos de pivote. Estas máquinas son muy útiles para empresas que tienen ciclos de enfriamiento largos o requieren mucho tiempo para desmoldar las piezas, en comparación con el tiempo de cocción. Es mucho más fácil programar trabajos de mantenimiento o intentar ejecutar un nuevo molde sin interrumpir la producción en los otros brazos de la máquina.
Esta es una de las máquinas biaxiales más comunes en la industria. Puede tener hasta cuatro brazos y seis estaciones y viene en una amplia gama de tamaños. La máquina viene en dos modelos diferentes, fijo e independiente. Un carrusel de brazos fijos consta de tres brazos fijos que deben moverse juntos. Un brazo estará en la cámara de calentamiento mientras que otro estará en la cámara de enfriamiento y el tercero en el área de carga/recarga. El carrusel de brazos fijos funciona bien cuando se utilizan tiempos de ciclo idénticos para cada brazo. La máquina de carrusel de brazos independientes está disponible con tres o cuatro brazos que pueden moverse de forma independiente. Esto permite moldes de diferentes tamaños, con diferentes tiempos de ciclo y necesidades de espesor. [8]
El proceso de moldeo rotacional es un proceso de formación de plástico a alta temperatura y baja presión que utiliza calor y rotación biaxial (es decir, rotación angular en dos ejes) para producir piezas huecas de una sola pieza. [9] Los críticos del proceso señalan sus largos tiempos de ciclo: normalmente solo se pueden producir uno o dos ciclos por hora, a diferencia de otros procesos como el moldeo por inyección, donde las piezas se pueden fabricar en unos pocos segundos. El proceso tiene claras ventajas. Fabricar piezas huecas de gran tamaño, como tanques de aceite, es mucho más fácil mediante moldeo rotacional que con cualquier otro método. Los moldes rotacionales son mucho más baratos que otros tipos de moldes. Con este proceso se desperdicia muy poco material y el material sobrante a menudo se puede reutilizar, lo que lo convierte en un proceso de fabricación muy viable económica y ambientalmente.
El proceso de moldeo rotacional consta de cuatro fases distintas:
Hasta hace poco, el proceso dependía en gran medida del método de ensayo y error y de la experiencia del operador para determinar cuándo se debía retirar la pieza del horno y cuándo estaba lo suficientemente fría como para sacarla del molde. La tecnología ha mejorado en los últimos años, lo que permite controlar la temperatura del aire en el molde y eliminar gran parte de las conjeturas del proceso.
Actualmente, se están llevando a cabo muchas investigaciones para reducir el tiempo de ciclo y mejorar la calidad de las piezas. El área más prometedora es la presurización del molde. Es bien sabido que aplicar una pequeña cantidad de presión internamente al molde en el punto correcto de la fase de calentamiento acelera la coalescencia de las partículas de polímero durante la fusión, lo que produce una pieza con menos burbujas en menos tiempo que a presión atmosférica . Esta presión retrasa la separación de la pieza de la pared del molde debido a la contracción durante la fase de enfriamiento, lo que ayuda a enfriar la pieza. El principal inconveniente de esto es el peligro para el operador de explosión de una pieza presurizada. Esto ha impedido la adopción de la presurización del molde a gran escala por parte de los fabricantes de rotomoldeo.
Un buen agente desmoldante (MRA) permitirá que el material se elimine de forma rápida y eficaz. Los desmoldantes pueden reducir los tiempos de ciclo, los defectos y el oscurecimiento del producto terminado. Hay varios tipos de desmoldantes disponibles; se pueden clasificar de la siguiente manera:
Más del 80% de todo el material utilizado es de la familia del polietileno: polietileno reticulado (PEX), polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno lineal de baja densidad (LLDPE), polietileno de alta densidad (HDPE) y remolido. Otros compuestos son los plastisoles de cloruro de polivinilo (PVC) , los nailones y el polipropileno .
Orden de materiales más utilizados por la industria: [10]
Estos materiales también se utilizan ocasionalmente (no en orden de mayor uso): [10]
Recientemente, se ha hecho posible el uso de materiales naturales en el proceso de moldeado. Mediante el uso de arenas reales y virutas de piedra, se puede crear un compuesto de arenisca que es un 80% de material natural sin procesar.
El moldeo rotacional de yeso se utiliza para producir estatuillas huecas .
El chocolate se moldea rotacionalmente para formar golosinas huecas.
Los diseñadores pueden seleccionar el mejor material para su aplicación, incluidos los materiales que cumplen con los requisitos de la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA). Se pueden incorporar aditivos para resistencia a la intemperie, retardación de llama o eliminación de estática. Insertos, gráficos, roscas, manijas, socavaduras menores , superficies planas sin ángulos de inclinación o detalles finos de la superficie pueden ser parte del diseño. Los diseños también pueden ser de paredes múltiples, huecos o rellenos de espuma.
Entre los productos que se pueden fabricar mediante el moldeo rotacional se encuentran tanques de almacenamiento, muebles, señales de tráfico y bolardos, jardineras, casas para mascotas, juguetes, papeleras y contenedores de basura, piezas de muñecas, conos de carretera, balones de fútbol, cascos, canoas, botes de remos, refugios contra tornados, [11] cascos de kayak, bodegas subterráneas para almacenar vides y verduras y toboganes para parques infantiles. El proceso también se utiliza para fabricar productos altamente especializados, incluidos contenedores aprobados por la ONU para el transporte de materiales nucleares fisionables, [12] protectores de barcos antipiratería, [13] sellos para máscaras de oxígeno inflables [14] y componentes livianos para la industria aeroespacial. [15]
Otro aspecto a tener en cuenta son los ángulos de desmoldeo, necesarios para extraer la pieza del molde. En las paredes exteriores, puede funcionar un ángulo de desmoldeo de 1° (siempre que no haya superficies rugosas ni agujeros). En las paredes interiores, como el interior del casco de un barco, puede ser necesario un ángulo de desmoldeo de 5°. [16] Esto se debe a la contracción y a la posible deformación de la pieza.
Otra consideración es la de las costillas de soporte estructural. Si bien las costillas sólidas pueden ser deseables y alcanzables en el moldeo por inyección y otros procesos, una costilla hueca es la mejor solución en el moldeo rotacional. [17] Una costilla sólida se puede lograr insertando una pieza terminada en el molde, pero esto aumenta el costo.
El moldeo rotacional es excelente para producir piezas huecas. Sin embargo, se debe tener cuidado al hacerlo. Cuando la profundidad del hueco es mayor que el ancho, pueden surgir problemas con el calentamiento y enfriamiento uniformes. Además, se debe dejar suficiente espacio entre las paredes paralelas para permitir que el flujo de fusión se mueva adecuadamente por todo el molde. De lo contrario, pueden producirse membranas. Un escenario deseable de paredes paralelas tendría un espacio de al menos tres veces el espesor nominal de la pared, siendo cinco veces el espesor nominal de la pared lo óptimo. También se deben considerar las esquinas agudas para las paredes paralelas. Con ángulos de menos de 45° pueden producirse puentes, membranas y huecos. [18]
Otro factor a tener en cuenta es la fluidez de los materiales. Algunos materiales, como el nailon , requieren radios mayores que otros. La rigidez del material fraguado puede ser un factor. Es posible que se requieran más medidas estructurales y de refuerzo cuando se utiliza un material endeble. [19]
Una ventaja del moldeo rotacional es la capacidad de experimentar, en particular con el espesor de las paredes. El costo depende completamente del espesor de las paredes, siendo las paredes más gruesas más costosas y más lentas de producir. Si bien la pared puede tener casi cualquier espesor, los diseñadores deben recordar que cuanto más gruesa sea la pared, más material y tiempo se necesitarán, lo que aumenta los costos. En algunos casos, los plásticos pueden degradarse debido a períodos prolongados a alta temperatura. Los diferentes materiales tienen diferente conductividad térmica , lo que significa que requieren diferentes tiempos en la cámara de calentamiento y la cámara de enfriamiento. Idealmente, la pieza se probará para utilizar el espesor mínimo requerido para la aplicación. Luego, este mínimo se establecerá como un espesor nominal. [20]
Para el diseñador, si bien es posible utilizar espesores variables, se requiere un proceso llamado detención de la rotación. Este proceso tiene la limitación de que solo un lado del molde puede ser más grueso que los demás. Una vez que se gira el molde y todas las superficies están suficientemente recubiertas con el material fundido, la rotación se detiene y el material fundido se puede acumular en el fondo de la cavidad del molde. [20]
El espesor de la pared también es importante para los radios de las esquinas. Los radios exteriores grandes son preferibles a los radios pequeños. Los radios interiores grandes también son preferibles a los radios interiores pequeños. Esto permite un flujo más uniforme del material y un espesor de pared más uniforme. Sin embargo, una esquina exterior es generalmente más resistente que una esquina interior. [20]
El moldeo rotacional ofrece ventajas de diseño en comparación con otros procesos de moldeo. Con un diseño adecuado, las piezas ensambladas a partir de varias piezas se pueden moldear como una sola pieza, lo que elimina los altos costos de fabricación. El proceso también tiene ventajas inherentes en cuanto al diseño, como un espesor de pared uniforme y esquinas exteriores resistentes que prácticamente no sufren tensiones. Para lograr una resistencia adicional, se pueden diseñar nervaduras de refuerzo en la pieza. Además de estar diseñadas en la pieza, se pueden agregar al molde.
La capacidad de agregar piezas prefabricadas al molde por sí sola es una gran ventaja. Se pueden agregar roscas de metal, tuberías y estructuras internas e incluso plásticos de diferentes colores al molde antes de agregar los gránulos de plástico. Sin embargo, se debe tener cuidado para garantizar que la contracción mínima durante el enfriamiento no dañe la pieza. Esta contracción permite socavaduras leves y elimina la necesidad de mecanismos de expulsión (para la mayoría de las piezas).
El moldeo rotacional puede utilizarse como una alternativa viable al moldeo por soplado en productos como botellas de plástico y recipientes cilíndricos. Esta sustitución es eficiente sólo en una escala menor, ya que la eficiencia del moldeo por soplado depende de grandes tiradas.
Otra ventaja reside en los propios moldes. Puesto que requieren menos herramientas, se pueden fabricar y poner en producción mucho más rápidamente que otros procesos de moldeo. Esto es especialmente cierto en el caso de piezas complejas, que pueden requerir grandes cantidades de herramientas para otros procesos de moldeo. El moldeo rotacional también es el proceso de elección para tiradas cortas y entregas urgentes. Los moldes se pueden cambiar rápidamente o se pueden utilizar colores diferentes sin purgar el molde. Con otros procesos, puede ser necesario purgar para cambiar los colores.
Gracias a los espesores uniformes que se consiguen, no existen grandes secciones estiradas, lo que permite fabricar paneles grandes y delgados (aunque pueden producirse deformaciones). Además, hay poco flujo de plástico (estiramiento), sino más bien una colocación del material dentro de la pieza. Estas paredes delgadas también limitan el coste y el tiempo de producción.
Otra ventaja en términos de costo del moldeo rotacional es la mínima cantidad de material que se desperdicia en la producción. No hay bebederos ni canales (como en el moldeo por inyección) ni recortes ni desechos (como en el moldeo por soplado). El material que se desperdicia, como desechos o como resultado de pruebas de piezas fallidas, generalmente se puede reciclar.
Las piezas moldeadas por rotación están sujetas a restricciones diferentes a las de otros procesos plásticos. Como se trata de un proceso de baja presión, a veces los diseñadores se enfrentan a zonas de difícil acceso en el molde. Un polvo de buena calidad puede ayudar a superar algunas situaciones, pero normalmente los diseñadores tienen que tener en cuenta que no es posible hacer roscas afiladas que serían posibles con el moldeo por inyección. Algunos productos a base de polietileno se pueden colocar en el molde antes de cargarlo con el material principal. Esto puede ayudar a evitar los agujeros que de otro modo aparecerían en algunas zonas. Esto también se puede conseguir utilizando moldes con secciones móviles.
Otra limitación radica en los propios moldes. A diferencia de otros procesos en los que solo es necesario enfriar el producto antes de extraerlo, en el molde rotacional es necesario enfriar todo el molde. Si bien es posible utilizar procesos de enfriamiento por agua, el molde se queda parado durante mucho tiempo, lo que aumenta los costos financieros y ambientales. Algunos plásticos se degradan con los largos ciclos de calentamiento o en el proceso de convertirlos en polvo para fundirlos.
Las etapas de calentamiento y enfriamiento implican la transferencia de calor primero del medio caliente al material polimérico y luego de éste al ambiente de enfriamiento. En ambos casos, el proceso de transferencia de calor ocurre en un régimen inestable; por lo tanto, su cinética atrae el mayor interés al considerar estos pasos. En la etapa de calentamiento, el calor tomado del gas caliente es absorbido tanto por el molde como por el material polimérico. El equipo para el moldeo rotacional generalmente tiene un espesor de pared relativamente pequeño y está fabricado a partir de metales con una alta conductividad térmica (aluminio, acero). Como regla general, el molde transfiere mucho más calor del que puede absorber el plástico; por lo tanto, la temperatura del molde debe variar linealmente. La velocidad de rotación en el moldeo rotacional es bastante baja (4 a 20 rpm). Como resultado, en las primeras etapas del ciclo de calentamiento, el material cargado permanece como una capa de polvo en el fondo del molde. La forma más conveniente de cambiar el ciclo es aplicando láminas de PU en formas laminadas en caliente.
Debido a la naturaleza del proceso, la selección de materiales debe tener en cuenta lo siguiente:
