Defectos en piezas inyectadas y su solución

El procesado de los termoplásticos por inyección tiene sus retos y no está exento de problemas, debido principalmente a errores de proceso, lo cual hace que productivamente no se cumplan las especificaciones deseadas y se rechace la pieza inyectada por no cumplir con su calidad, con las consiguientes pérdidas económicas. En este sentido es importante conocer los problemas más comunes y la causa que los provoca, con el objeto de poder evitarlos.

Todo defecto en las piezas inyectadas, aunque depende de una causa, no siempre puede ser reconocida o clasificada; y es claro que solo se pueden evitar estos problemas con su detección sistemática, su diagnóstico y desde luego, su corrección.  Hay problemas que se pueden atribuir a las variables de proceso en cuanto a su producción, pero también los hay de tipo estructural en cuanto al diseño de las piezas o del molde que se emplea. Básicamente se manifiestan estos defectos en el producto final: en su superficie, en su forma o en diferentes propiedades mecánicas.

Hagamos un breve recorrido a través de los problemas más comunes, con algunos comentarios si tienen que ver con el proceso o con el molde, y sus posibilidades de arreglo:

1- RECHUPES  O “SINK MARKS”

Son  defectos visuales típicos que deforman el aspecto de la pieza inyectada. Si no se añade material a la cavidad del molde mientras el plástico se contrae, y si las capas todavía no están suficientemente fuertes debido a una falta de refrigeración, se forman hendiduras entre la pared de la cavidad y la superficie de la pieza. Estas hendiduras son denominadas rechupes, "sink marks", o el efecto "dog-bone".

Los rechupes también se forman incluso después de que la pieza es extraída del molde. Si la pieza ha sido inyectada demasiado rápido, el núcleo todavía se encuentra caliente o en estado líquido, y el calor contenido en este núcleo debe ser todavía extraído, lo que crea un estado tensional que se traduce en contracciones en la parte exterior de la pieza.

Para prevenir este defecto deben seguirse los siguientes puntos que afectan tanto al diseño de la pieza como al diseño del propio molde: evitar diferencias de espesor de las paredes, evitar acumulaciones de material, tomar especial atención a la relación grosor-diseño de los nervios (por ejemplo, radios), asegurar una adecuada refrigeración del molde, situar el conducto de colada (lo suficientemente grande en área)  en la pared más gruesa usando el bebedero cuando sea posible.

Si el problema ocurre cuando el molde ya está construido, hay que evaluar a detalle los siguientes parámetros:

• Reducir temperatura de fusión.

• Reducir temperatura de la pared de la cavidad.

• Aumentar velocidad de avance del tornillo.

• Aumentar presión de contención.

• Aumentar tiempo de presión de contención.

• Aumentar volumen de inyección.

2- REBABA O FLASH

Ocurre cuando la fusión de polímero se mete en la superficie de separación entre las partes del molde, aunque  también puede ocurrir alrededor de los pernos de eyección. El defecto es causado generalmente por:

1. Venteos y claros muy grandes en el molde.

2. Presión de inyección demasiado alta comparadas con la fuerza de sujeción.

3. Temperatura de fusión demasiado alta.

4. Tamaño excesivo de la carga.

5. Molde con desgaste excesivo o mal mantenimiento.

3- MARCAS HUNDIDAS  Y HUECOS

Son defectos relacionados generalmente con secciones gruesas de la pieza. Una marca hundida ocurre cuando la superficie exterior del molde solidifica, pero la contracción del material interno causa que la costra se deprima por debajo de la superficie nominal.

Un hueco es causado por el mismo fenómeno básico, sin embargo, el material retiene su forma, y la contracción se manifiesta como un hueco interno debido al alto esfuerzo a la tensión en el polímero aún fundido. Estos defectos pueden tener su origen en un incremento de la presión de compactación que sigue a la inyección. Una solución ideal tiene que ver con diseñar la pieza para tener secciones con espesor uniforme y usando secciones más delgadas.

4- LÍNEAS DE SOLDADURA

Ocurren cuando la fusión del polímero fluye alrededor de un corazón u otros detalles convexos en la cavidad del molde y se encuentran en la dirección opuesta; los límites así formados se llaman líneas soldadas y pueden tener propiedades mecánicas que son inferiores a las del resto de la parte. Las temperaturas altas de fusión, las presiones altas de inyección, las localizaciones alternas de las puertas en la pieza y una mejor ventilación son formas de evitar este defecto.

5- ZONA MATE CERCA DEL PUNTO DE COLADA

Un examen correcto del proceso de llenado del molde y de los esfuerzos generados puede mostrarnos el origen del defecto.  El flujo laminar del plástico fundido sólo puede ser mantenido si la fricción estática entre la superficie del fluido y la pared de la cavidad permanece constantemente,  mayor que la fuerza de corte (cizalla) ejercida entre las capas del fluido.

La solución es intentar conseguir condiciones más favorables para la creación de una capa suficientemente fuerte para resistir la fuerza de corte (cizalla) del flujo, mediante la reducción de la velocidad inicial de inyección. Después puede subirse la velocidad de inyección con el fin de obtener una velocidad de fusión uniforme.

6 – ESTRIAS O RÁFAGAS  (QUEMADAS, DE OXIDACIÓN Y VETAS)

 Especialmente las debidas a quemaduras, a la humedad y al aire, son muy similares, haciendo muy difícil su clasificación, si no imposible. Si el fundido se daña térmicamente por temperaturas demasiado altas y/o tiempos de residencia demasiado largos, se originan productos gaseosos de descomposición, que son visibles en la superficie, por su color parduzco o plateado.

Aunque un experto puede distinguir entre estrías y ráfagas fácilmente, para el neófito ambas tienen un aspecto muy similar:

• Aparecen periódicamente aparece detrás de secciones estrechas (puntos de cizalla) o cantos vivos del molde.

• Suceden cuando la temperatura de la masa está cerca del límite superior del proceso, por lo que su reducción actúa positivamente contra el defecto.

• Disminuyendo la velocidad de avance del husillo se obtiene una reducción del defecto.

• Suceden con un largo tiempo de permanencia en la unidad de plastificación o en la parte delantera del husillo (debido, por ejemplo, a interrupciones en el ciclo de trabajo o a inyecciones de poco volumen).

• Se hacen más frecuentes con alto contenido de material recuperado o el material ha sido fundido varias veces anteriormente.

• Tienen que ver con un inadecuado manejo de la colada caliente del molde o con sus válvulas.

Ráfagas por quemaduras. Son debidas a la degradación térmica de la masa. El resultado puede ser una disminución de la longitud de la cadena molecular (decoloración plateada) o un cambio de la macromolécula (decoloración amarronada). Las posibles causas de la degradación térmica son:

• Tener un presecado a temperatura demasiado alta o durante un tiempo demasiado largo.

• Una temperatura de la masa demasiado alta.

• Fuerza de corte (cizallamiento) demasiado alta en la unidad de plastificación (por ejemplo; velocidad del husillo demasiado alta) o en el molde (por ejemplo, velocidad de inyección excesiva).

• Tiempo de permanencia en la unidad plastificación demasiado largo.

Ráfagas por humedad. Aparecen en la superficie de la pieza moldeada en forma de colas de cometa. La superficie que rodea las ráfagas plateadas es, a menudo, porosa y rugosa. Las ráfagas debidas a humedad en la superficie del molde, aparecen como zonas largas, deslustradas y laminadas. Entre los signos de las ráfagas por humedad tenemos:

• El material tiene tendencia a absorber humedad (ejemplo. PA, ABS, CA, PBT. PC, PMMA, SAN), o bien, tiene alta humedad antes de su procesamiento.

• Cuando al inyectar lentamente “al aire”, el fundido muestra burbujas y/o desprende vapor, el frente de avance solidificado en un llenado parcial que forma estructuras tipo cráter.

• Alta humedad en el ambiente (especialmente en combinación con moldes y materiales fríos).

Ráfagas por aire. En la mayoría de los casos, las ráfagas de aire aparecen como ráfagas mates, plateadas o blancas que se hallan cerca de la última zona de llenado, nervios y variación de grosor de las paredes. Pueden aparecer ráfagas de forma laminar partiendo de la entrada y también de las depresiones o grabados.

• El defecto disminuye con una menor descompresión.

• El defecto disminuye cuando el husillo avanza más lentamente.

• Se distingue al apreciar burbujas en el material inyectado.

• El frente de avance en un llenado parcial muestra estructuras tipo cráter.

Ráfagas de color. Estas son debidas a una distribución desigual de los componentes o a distintas orientaciones de los pigmentos en el flujo del fundido. La degradación térmica y las fuertes deformaciones pueden también dar origen a cambios o diferencias de color.

Cuando se utilizan materiales reforzados con fibra de vidrio, pueden aparecer superficies mates o rugosas. Los reflejos metálicos de la fibra de vidrio aparecen sobre toda la superficie en forma de ráfagas.

7- DIFERENCIAS DE BRILLO O PULIDO NO UNIFORME

Si atendemos a la calidad del brillo para evaluar una pieza, podemos encontrarnos con dos defectos:

1. Toda la pieza sea demasiado brillante, (o demasiado poco brillante).

2. Existan diferencias de brillo contrastantes en la superficie de la pieza

El brillo de una pieza moldeada tiene que ver con la apariencia de su superficie, cuando es expuesta a la luz. Las diferencias de brillo aparecen a menudo por las variaciones de espesor de las paredes en la zona visible de las piezas.

   Si un rayo de luz incide en la superficie, su dirección cambiará (refracción de la luz): mientras que una parte de la luz será reflejada por la superficie, la otra parte se reflejará dentro de la pieza o la penetrará con distintas intensidades. La impresión de brillo será tanto mejor cuanto menor sea la rugosidad de la superficie.

   Las diferencias de brillo son el resultado de los distintos comportamientos de proyección del plástico sobre las paredes del molde, a causa de las diferentes condiciones de enfriamiento y diferencias de contracción. Para ello, debe proyectarse un molde de paredes pulidas al máximo posible, y no un molde de paredes texturizadas o satinadas.

La deformación de las zonas ya enfriadas (debida, por ejemplo, a distorsión durante el enfriamiento en el molde) puede ser otra causa de diferencias del brillo.

8- LINEAS DE FLUJO O DE SOLDADURA

La línea de soldadura en las piezas de plástico representa, en la mayor parte de los casos, un defecto óptico y un debilitamiento mecánico; inclusive puede aparecer una muesca y/o un cambio de color. Las muescas son particularmente visibles en piezas negras o transparentes, de superficies lisas o muy pulidas, mientras que  los cambios de color son visibles principalmente en piezas con pigmentos de efecto metálico.

Las líneas de soldadura se originan cuando se encuentran dos o más frentes de flujo. Los frentes de flujo redondeados de la masa quedan aplastados y unidos cuando se tocan. Este proceso requiere el estiramiento del ya muy viscoso flujo. Si la temperatura y la presión no son lo suficiente altas, las esquinas de los frentes de flujo no se desarrollarán del todo, apareciendo una muesca. Además, los fluidos ya no se mezclarán homogéneamente, produciéndose posiblemente una zona más débil mecánicamente. Si se usan compuestos que contengan aditivos (por ejemplo, pigmentos de color), es posible que se produzcan fuertes orientaciones de dichos aditivos cerca de la línea de soldadura. Estas orientaciones también pueden ser causa de cambios de color cerca de la línea de soldadura.

9- EFECTO DE GUSANILLO (“JETTING”)

Se refiere a la formación de un cordón de plástico fundido que entra en la cavidad del molde desde el conducto de colada, en un movimiento incontrolado.  El cordón fundido hace un mínimo contacto con la pared de la cavidad, extendiéndose en pliegues durante la fase de llenado que después son rodeados por el plástico fundido que entra a continuación. Este fenómeno crea una falta de homogeneidad, deformaciones, tensiones locales internas, etc.

La causa física tiene que ver con un insuficiente flujo del polímero fundido desarrollado en la cavidad. El flujo ideal no se consigue necesariamente durante la fase de llenado del molde sin las medidas correctas, lo cual es particularmente cierto en puntos donde de repente el canal se ensancha. Las dificultades de mantener un flujo correcto se agravan con los cambios bruscos del canal de fusión y con la velocidad del plástico inyectado.

   Las medidas para prevenir este fenómeno dependen de sus causas específicas. Cuando un material fundido de alta viscosidad entra en el espacio vacío de la cavidad, la fuerza de cohesión de materia crea una gran resistencia al extenderse: dicha fuerza  cohesiva interna puede ser reducida con un incremento de la temperatura.

También una reducción del esfuerzo cortante (de cizalladura) sería de gran ayuda, reduciendo por ejemplo, la velocidad. Otra medida es diseñar la dirección de inyección de forma que la resistencia del flujo sea generada directamente detrás del conducto de colada. La velocidad inicial de inyección de la fase de llenado debe ser lenta hasta que la capa de material fundido ha sido formada Después se pueden utilizar las ventajas de una alta velocidad de inyección.

10- EFECTO “DIESEL”

Tiene que ver con la apreciación de unas manchas negras (quemaduras) en la superficie de la pieza moldeada y a menudo las piezas no están totalmente llenas en esas zonas. El efecto es puramente un problema de ventilado o salida de aire.    Puede darse cerca de agujeros ciegos, encajes, final de recorrido, y cerca de puntos donde convergen varios frentes de flujo. Ocurre cuando el aire no puede escapar o no se desplaza suficientemente rápido hacia las comisuras, canales de ventilación o expulsores Hacia el final del proceso de inyectado, el aire queda comprimido y sube de temperatura. El resultado son temperaturas muy altas que pueden llegar a la auto ignición del plástico y ser la causa de quemaduras en el material.

11- DELAMINACIÓN EN CAPAS

Cuando el polímero fundido está sujeto a un esfuerzo cortante (de cizalladura) excesivo durante la fase de llenado. Este defecto ocurre principalmente en zonas delgadas y largas de la pieza.  La delaminación puede ser eliminada con la reducción de la diferencia de temperatura entre molde y material que a su vez reducirá los esfuerzos, además de cuidar que el cilindro de plastificación se encuentre  libre de materia extraña.

Es importante añadir que el fenómeno de delaminación suele ocurrir después de un cierto tiempo de utilización de la pieza. Por esta razón, una vez realizada la pieza debe analizarse microscópicamente su estructura interna.

12- DESLIZAMIENTO DE CAPAS (“STICK SLIP”)

La razón física de este problema son las vibraciones elásticas del plástico fundido inyectado, que se deben en parte a una velocidad demasiado lenta en conjunción con las paredes de la cavidad que están relativamente frías.

Estas ranuras en la pieza inyectada también pueden ser producidas por una falta de presión de inyección, por una baja temperatura del plástico fundido y/o la temperatura del molde en combinación con las dos causas mencionadas. La eliminación del defecto se consigue mediante la corrección de estos parámetros del molde y de la máquina de inyección

13- GRIETAS O MICROGRIETAS

El blanqueo y las roturas por tensión, aparecen a menudo, cuando se utilizan sustancias agresivas (por ejemplo grasa, soluciones alcalinas, etc.), sobre todo después de largo tiempo de servicio de la pieza.

Grietas de tensiones.

La coloración blanca por tensión está causada por tensiones tanto internas como externas (por ejemplo: elongación). Las áreas expuestas a la tensión se vuelven de color blanco y las roturas por tensión suelen tener la dirección del desmolde. Muchas veces, las roturas por tensión aparecen varios días o semanas después de la inyección.   El color blanco y las roturas que se producen a causa de la tensión tienen lugar cuando se sobrepasa la deformación máxima tolerada (por ejemplo, por tensión exterior o por deformación). La deformación máxima depende del tipo de material que se utilice, de la estructura molecular, del proceso y del clima que rodea a la pieza.

14- LLENADO INCOMPLETO DE LA PIEZA

Se produce en una pieza que ha solidificado antes de llenar completamente la cavidad. El defecto puede corregirse incrementando la temperatura o la presión. El efecto también pude originarse por el uso de una máquina con capacidad de dosificación insuficiente, en cuyo caso se necesita una máquina más grande.

Una pieza mal llenada puede ser consecuencia de diversas causas que deberían ser evaluadas:

• Una cantidad insuficiente de carga de material en el plastificador es la causa típica de una pieza mal llenada.

• Ocurre también si la temperatura de fusión es demasiado baja. Además, una temperatura insuficiente del molde combinada con una velocidad de inyección excesivamente lenta, precipita el enfriamiento del flujo, lo cual impide el llenado de la cavidad.

• Ocurre también si la presión de inyección es demasiado baja; por esto se debe pensar si se cuenta con la unidad de inyección adecuada.

• Puede ser ocasionado por las salidas de aire del molde deficientes, que facilitan la formación de burbujas de aire en los puntos más lejanos. Son, por tanto, necesarias adecuadas salidas de aire para solucionar este problema.

• Si el conducto de colada o su recorrido son demasiado estrechos, el material se enfría antes que la cavidad sea llenada. En este caso, un ensanchamiento de éstos elimina el problema con la reducción del nivel de presión requerido.

• La temperatura de la boquilla es otro factor. Si es demasiado baja resulta un enfriamiento prematuro con el consiguiente llenado incompleto.

Se puede añadir una pequeña cantidad de agente espumante para prevenir las contracciones. El tipo y cantidad de agente dependen del tipo de plástico utilizado, y debe de ser determinado separadamente para cada caso particular.

15- MARCAS DE EXPULSIÓN

Las marcas de expulsión son depresiones o elevaciones en el lugar correspondiente a la posición de los expulsores visibles en la superficie de las piezas. Estas diferencias de espesor de pared pueden causar diferencias de brillo o depresiones en la superficie visible de la pieza. Las posibles causas son:

• Desmolde prematuro.

• Fuerzas muy fuertes de desmolde debidas a un mal ajuste de la máquina.

• Colocación incorrecta o largo inadecuado del expulsor.

• Mal diseño y dimensionado del molde, de la pieza o del sistema de desmolde.

• Grandes diferencias de temperatura entre el expulsor y la pared del molde.

16- DEFORMACIÓN POR LA EXPULSIÓN

Según el grado en que haya sido perjudicada la pieza, hay una clasificación de las marcas de expulsión, roturas, zonas de excesiva tensión y expulsores profundamente hundidos. Son críticas las piezas con contrasalidas, que hayan de ser desmoldadas sin piezas móviles (por ejemplo, correderas).

17- DEFORMACIÓN POR ALABEO (“WARPAGE”)

Las causas físicas de las deformaciones pueden clasificarse de la siguiente forma:

• Las fuerzas necesarias para el desmolde no pueden aplicarse sin dañar la pieza.

• El movimiento de desmolde es obstaculizado en algún punto.

El total de la fuerza de desmolde aplicada es algo crucial y debe, por tanto, mantenerse baja. Además de otros factores, la contracción de la pieza ejerce un impacto directo sobre las fuerzas de desmolde.

Cambiando los parámetros de proceso, puede influirse considerablemente sobre las fuerzas de desmolde y la contracción. Sin embargo, debe tenerse en consideración que la geometría de la pieza moldeada es un factor muy importante a la hora de producirse deformaciones debidas a las fuerzas que se producen en el desmolde.

En general, es conveniente que se produzca una baja contracción en las piezas de tipo cilíndrico o en forma de caja, ya que dichas piezas tienden a contraerse contra su núcleo (aumente la presión de mantenimiento o aumente el tiempo de enfriamiento).   En la proximidad a los nervios, la contracción actúa de modo que aumenta la fuerza de desmolde por causa de que los nervios han de ser separados de las paredes del molde (disminuya la presión de mantenimiento o aumente el tiempo de enfriamiento).

18- MATERIAL FRÍO

El fluido frío que sale por la boquilla (también en colada caliente) y que va a parar al interior del molde, puede originar marcas parecidas a las ráfagas del tipo de cola de cometa. Estas pueden aparecer cerca de la entrada o bien esparcirse por toda la pieza.

Cuando se fuerza el recorrido, el material frio también puede ser la causa de las líneas de soldadura visibles debido a que obligan la masa a dividirse.

Líneas de flujo frías

La línea de soldadura en las piezas de plástico representa, en la mayor parte de los casos, un defecto óptico y un debilitamiento mecánico Puede aparecer una muesca y/o cambio de color. Las muescas son particularmente visibles en piezas negras o transparentes, de superficies lisas o muy pulidas. Los cambios de color son visibles principalmente en piezas con pigmentos de efecto metálico.

19 – AIRE ATRAPADO, HUECOS Y BURBUJAS

No se puede evitar la formación de huecos, con sólo modificar ciertos parámetros de proceso de inyección. Es más efectivo tener en cuenta ciertas propiedades específicas referentes al material plástico al empezar el diseño tanto de la pieza como del molde. Algunas guías de ayuda son:

• Aumentar la temperatura de fusión.

• Aumentar la temperatura de la pared de la cavidad.

• Aumentar la velocidad de avance del tomillo.

• Aumentar la presión de mantenimiento.

• Aumentar el tiempo de sostenimiento.

• Revisar la válvula antiretorno si es necesario.

20- MANCHAS NEGRAS

Hay distintos factores que pueden ocasionar la formación de manchas: debido a degradación térmica del material, la suciedad o el desgaste. Algunas debidas al proceso, otras al material y algunas más debido al equipo. Dentro de las más comunes tenemos:

Causas relacionadas con el proceso:

• Temperatura de fusión demasiado alta

• Tiempo de residencia en la unidad de plastificado demasiado alto.

• Perfil de temperatura equivocado.

• Fallos en la colada caliente

Causas relacionadas con la máquina:

• La unidad de plastificado está sucia.

• El husillo y el cilindro están gastados.

Causas debidas al polímero o a los pigmentos:

• Impurezas en el granulo.

• Demasiado material reciclado.

• Tintes / masterbatches no adecuados.

21- GRÁNULOS DE MATERIA PRIMA NO FUNDIDA

Aparecen en zonas débiles de la estructura de la pieza acabada, y son el origen de las grietas. La siguiente foto muestra los infundidos en una microfotografía, sacada del fondo de una cubeta.

Este defecto se produce por una falta de temperatura en el cilindro durante el proceso de plastificación Por tanto, el defecto proviene de unos parámetros incorrectos de la máquina de inyectar. Los más típicos son:

• Insuficiente presión de retorno.

• Insuficiente velocidad del tornillo.

• Insuficiente temperatura del cilindro.

22- COMPACTACIÓN EXCESIVA

Después de la fase de llenado del molde, estando todavía la mazarota (colada) y la entrada a la cavidad en estado fundido, se pasa a la presión de mantenimiento, que es más baja que la de inyección.  La función de esta presión de mantenimiento es la de aportar material por la parte más interna de la pieza, para suplir con ello la reducción de espesor debida a la contracción por enfriamiento.

La presión de mantenimiento es efectiva hasta que se colapsa la entrada a la cavidad por enfriamiento. A partir de este momento no se podrá añadir más material. El enfriamiento de la entrada de la cavidad es función de:

• La temperatura del material.

• La temperatura del molde.

• El tiempo de duración de la presión.

Por un lado si se retira la presión antes de tiempo, la pieza no quedará compactada y tendrá menos peso del que cabría esperar. Por otro lado si se  retira la presión de mantenimiento en el momento adecuado, la pieza tendrá el peso correcto.

   Si se logra mantener la entrada del material caliente, y la presión durante más tiempo, el material, una vez enfriado, ejercerá tanta presión perpendicular a las paredes del molde que, según sea su geometría, si esta presión se efectúa en sentido perpendicular al eje principal de la máquina podrá llegar a impedir incluso la apertura del molde, y además, dependiendo de la salida que tenga el molde y el texturizado de la pared de la figura podrá producir ralladuras inaceptables.

Aún en el supuesto de que la máquina pueda abrir el molde, la pieza resultará de mayor peso del que estaba calculado con el consiguiente perjuicio económico.

23 - VARIACIONES DIMENSIONALES

Siempre en las mediciones se debe especificar el tiempo de espera después de inyectar la pieza, ya que la dimensión final dependerá de la contracción que alcance el material plástico normalmente a temperatura ambiente. Cada material plástico presenta un porcentaje de contracción, el cual debe considerarse en el diseño de los moldes, para con una apropiada operación obtener las dimensiones finales adecuadas del producto.

   Es claro que adicionalmente las condiciones de proceso influyen, así como la geometría de la pieza. Dentro de los que se pueden controlar tenemos: presión y tiempo de mantenimiento, temperatura del molde, temperatura del plástico, velocidad de inyección y la temperatura de desmoldeo.