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¿Cómo solucionar la contracción y la deformación?
24/07/2025
Plástico Moldeo por inyección La contracción inherente se produce porque la densidad del polímero cambia cuando la temperatura del proceso desciende a temperatura ambiente, lo que provoca dicha contracción. La diferencia en la contracción entre la pieza de plástico completa y la sección transversal genera tensiones residuales internas, con el mismo efecto que una fuerza externa. Si la tensión residual supera la resistencia de la estructura de la pieza de plástico durante el moldeo por inyección, esta se deformará tras el desmoldeo o se agrietará debido a la fuerza externa.
Estrés residual
La tensión residual es la tensión causada por el flujo del plástico fundido o el efecto térmico durante el proceso de moldeo de la pieza, y que queda atrapada en el plástico. Si la tensión residual supera la resistencia estructural de la pieza, esta puede deformarse durante el moldeo por inyección o romperse posteriormente bajo carga.
La tensión residual es la principal causa de la contracción y deformación de las piezas de plástico. Unas buenas condiciones de moldeo y un diseño que reduzca la tensión de cizallamiento causada por el llenado de la cavidad del molde pueden disminuir la tensión residual debida al flujo del material fundido. Del mismo modo, mantener una presión suficiente y un enfriamiento uniforme pueden reducir la tensión residual debida a los efectos térmicos. En el caso de materiales con fibras añadidas, mejorar las condiciones de moldeo para lograr propiedades mecánicas uniformes puede reducir la tensión residual debida a los efectos térmicos.
1. Tensión residual causada por el flujo de la masa fundida
En ausencia de tensión, los polímeros de cadena larga se encuentran en un estado de equilibrio con un rizado arbitrario a una temperatura superior a su punto de fusión. Durante el proceso de formación, los polímeros se someten a cizallamiento y estiramiento, y las cadenas moleculares se alinean en la dirección del flujo.
Si la cadena molecular se solidifica antes de estar completamente relajada y equilibrada, su orientación queda fija en la parte plástica. Este estado de congelación de tensiones se denomina tensión residual inducida por el flujo, la cual provoca propiedades mecánicas desiguales y contracción tanto en la dirección del flujo como perpendicular a ella. En general, la tensión residual inducida por el flujo es una potencia menor que la tensión residual causada por efectos térmicos.
La elevada orientación de la superficie de la pieza de plástico cerca de la pared del molde provocará una congelación inmediata debido a la interacción entre la alta tensión de cizallamiento y la alta velocidad de enfriamiento, como se muestra en la Figura 1. Si la pieza de plástico se almacena en un entorno de alta temperatura, liberará parte de la tensión, lo que provocará contracción y deformación.
El efecto de aislamiento térmico de la capa solidificada mantiene la capa central del polímero a una temperatura más alta, lo que puede liberar más tensión, por lo que las cadenas moleculares en la capa central tienen una orientación menor. Las condiciones de formación que pueden reducir la tensión de cizallamiento del fundido también reducirán la tensión residual causada por el flujo, incluyendo:
•Alta temperatura de fusión.
•Alta temperatura de la pared del molde.
•Tiempo de llenado prolongado (velocidad de fusión lenta).
•Reduzca la presión de sujeción.
•Trayectoria de flujo corta.
Figura 1. La orientación de la cadena molecular que se congela durante las etapas de llenado y empaquetado da lugar a tensiones residuales inducidas por el flujo.
(1) indica alta velocidad de enfriamiento, alta tensión de corte o alta orientación; (2) indica baja velocidad de enfriamiento, baja tensión de corte o baja orientación.
2. Tensión residual causada por el efecto térmico
Las causas de la tensión residual provocada por efectos térmicos incluyen las siguientes:
(1) El plástico se encoge cuando baja de la temperatura de proceso establecida a la temperatura ambiente.
(2) Cuando el plástico se solidifica, la pieza de plástico experimenta diferentes procesos térmicos y mecánicos desde la superficie hasta la capa central, como diferentes tiempos de enfriamiento y diferentes presiones de mantenimiento.
(3) Cambios en la presión, la temperatura, la orientación de la cadena molecular y la orientación de la fibra debido a cambios en la densidad y las propiedades mecánicas.
(4) El diseño del molde limita la contracción de la pieza de plástico en ciertas direcciones.
La contracción del plástico durante moldeo por inyección Esto se puede explicar con el ejemplo del enfriamiento libre. Si una pieza de plástico con temperatura uniforme queda repentinamente sujeta por las paredes frías del molde en ambos lados, en la etapa inicial del enfriamiento, cuando la superficie de la pieza de plástico se enfría y comienza a contraerse, el polímero en su interior aún se encuentra en estado fundido a alta temperatura y puede contraerse libremente.
Sin embargo, cuando la temperatura central de la pieza de plástico desciende, la contracción térmica local se ve limitada por la capa superficial solidificada, lo que da como resultado una distribución de tensiones típica con tensión de tracción en la capa central y tensión de compresión en la capa superficial, como se muestra en la Figura 2.
La diferencia en la velocidad de enfriamiento desde la superficie hasta el centro de la pieza de plástico generará tensiones residuales térmicas. Además, si la velocidad de enfriamiento de la pared del molde es diferente en ambos lados, también se producirán tensiones residuales térmicas asimétricas. La distribución asimétrica de las tensiones de tracción y compresión en la sección transversal de la pieza de plástico generará un momento flector, lo que provocará la deformación de la pieza, como se muestra en la Figura 3.
Las piezas de plástico con espesores desiguales y zonas con refrigeración deficiente provocan un enfriamiento desequilibrado, lo que genera tensiones residuales. Las piezas de plástico complejas presentan una distribución de tensiones residuales más compleja debido a efectos térmicos como el espesor desigual, la refrigeración irregular del molde y las restricciones del molde sobre la contracción libre.
La figura 3 muestra que el enfriamiento desigual de la sección transversal de la pieza de plástico provoca tensiones residuales causadas por efectos térmicos asimétricos, lo que provoca que la pieza de plástico se deforme.
La figura 4 ilustra el cambio en el volumen específico de la capa solidificada debido al historial de presión durante el proceso de mantenimiento de la presión. La figura de la izquierda muestra la curva de distribución de temperatura de una sección de la pieza de plástico. Para facilitar la explicación, la pieza de plástico se divide en 8 capas a lo largo del espesor, y el tiempo de solidificación de cada capa se representa en la curva como t1~t8.
Cabe destacar que la pieza de plástico se solidifica desde la capa más externa, y cuanto mayor sea el tiempo de solidificación, más cerca estará de la capa central. El gráfico central muestra la evolución típica de la presión durante la solidificación de cada capa, P1 a P8. La presión en la etapa de llenado suele aumentar gradualmente, alcanzando su valor máximo al inicio del mantenimiento de la presión, para luego disminuir progresivamente debido al enfriamiento y la solidificación en la compuerta.
Como resultado, las capas superficiales y centrales de la pieza plástica se solidifican a baja presión, mientras que las demás capas intermedias se solidifican a alta presión de mantenimiento. La figura de la derecha ilustra la evolución del volumen específico de la quinta capa en el diagrama PvT, así como el volumen específico de cada capa en la solidificación final, y está marcada con puntos sólidos.
Dado el volumen específico de solidificación de cada capa, el comportamiento de contracción de cada capa de la pieza plástica variará según la curva PvT. Suponiendo que las capas estén separadas como se muestra en la Figura 5, la contracción se observa en la figura central. Las capas centrales 2, 5, 6 y 7 se contraen menos debido a su bajo volumen específico de solidificación (o alta densidad de solidificación). De hecho, las capas están conectadas entre sí, lo que resulta en una distribución de contracción intermedia: la capa central se comprime, mientras que la capa exterior y la central se estiran.
Figura 5 Las diferencias en los volúmenes específicos de cada capa solidificada interactúan entre sí, lo que da como resultado diferentes tensiones residuales y deformaciones de la parte plástica.
3. Tensión residual inducida por el proceso y tensión residual en la cavidad
En lo que respecta a la simulación del moldeo por inyección, la tensión residual inducida por el proceso es más importante que la tensión residual dentro de la cavidad. A continuación, se presentan las definiciones de estos dos términos y se proporciona un ejemplo para ilustrar su diferencia.
Una vez expulsada la pieza de plástico, se libera la restricción impuesta sobre ella por la cavidad del molde, y la pieza de plástico puede contraerse y deformarse libremente hasta alcanzar un estado de equilibrio.
En este punto, la tensión residual en la pieza plástica es la tensión residual causada por el proceso, o simplemente tensión residual. Esta incluye la tensión residual debida al flujo y la tensión residual debida al efecto térmico, siendo este último el de mayor influencia.
Cuando la pieza de plástico aún está confinada por la cavidad del molde, la tensión interna acumulada durante su solidificación se denomina tensión residual de la cavidad del molde. Esta tensión residual provocará que la pieza de plástico se contraiga y se deforme tras su expulsión.
La figura superior izquierda de la Figura 6 muestra la tensión residual en la cavidad del molde (generalmente la tensión de tracción que se muestra en la figura) de la pieza de plástico moldeado antes de la expulsión, que aún está limitada por el molde.
Una vez expulsado, el molde se libera de la restricción sobre la pieza de plástico, y esta libera la tensión residual en la cavidad del molde, contrayéndose y deformándose. La curva de distribución de la tensión residual debida al efecto térmico causado por la contracción de la pieza de plástico expulsada se muestra en la figura inferior izquierda de la Figura 6. En ausencia de fuerza externa, la tensión de tracción de la sección de la pieza de plástico es igual a la tensión de compresión y alcanza un estado de equilibrio.
La figura inferior derecha de la Figura 6 muestra que el espesor de la pieza de plástico está sometido a un enfriamiento desigual, lo que da como resultado una tensión residual asimétrica y deformación.
Figura 6 (arriba) Curva de distribución de la tensión residual en la cavidad del molde y (abajo) curva de distribución de la tensión residual inducida por el proceso y la forma de la pieza de plástico después de la eyección.
Las condiciones que permiten una presión de sujeción adecuada y una temperatura uniforme de la pared del molde pueden reducir la tensión residual causada por los efectos térmicos. Estas condiciones incluyen:
(1) Presión y tiempo de sujeción adecuados.
(2) Todas las superficies de la pieza de plástico se enfrían de manera uniforme.
(3) La pieza de plástico tiene un espesor transversal uniforme.
Contracción
Cuando el piezas de plástico moldeadas por inyección Cuando se enfrían desde la temperatura de procesamiento hasta la temperatura ambiente, la contracción volumétrica puede llegar a ser de hasta un 20 %. Cuando los materiales cristalinos y semicristalinos se enfrían por debajo de la temperatura de transición vítrea, las moléculas se disponen de manera más regular y forman cristales, que son particularmente propensos a la contracción térmica;
El material amorfo no experimenta cambios microestructurales durante los cambios de fase, y su contracción térmica es relativamente pequeña. Por lo tanto, la diferencia de volumen entre la fase fundida y la fase sólida (cristalización) de los materiales cristalinos y semicristalinos es mayor que la de los materiales amorfos, como se muestra en la Figura 7. Además, la velocidad de enfriamiento también afecta el comportamiento PvT de los materiales cristalinos y semicristalinos.
Figura 7. Curvas PvT de polímeros amorfos y cristalinos.
El cambio del estado del proceso (punto A) al estado de presión normal y temperatura ambiente provoca un cambio de volumen específico △υ.
NOTA: A medida que aumenta la presión, disminuye el volumen específico.
Las razones de la contracción excesiva de las piezas de plástico incluyen una presión de inyección demasiado baja, un tiempo de mantenimiento o de enfriamiento insuficiente, una temperatura de fusión demasiado alta, una temperatura del molde demasiado alta, una presión de mantenimiento demasiado baja, y la relación entre la contracción, los parámetros del proceso y el espesor de la pared se muestra en la Figura 8:
Durante moldeo por inyecciónSi no se compensa la contracción volumétrica de la pieza de plástico, se producirán depresiones en su superficie o burbujas de aire en su interior. Por lo tanto, es fundamental considerar la contracción de la pieza de plástico al diseñar el molde. Controlar la tasa de contracción es crucial para el diseño de la pieza, el diseño del molde y la configuración de las condiciones del proceso, especialmente en el caso de piezas de plástico compuestas.
Sujetar la cavidad del molde después del llenado puede reducir o eliminar las marcas de hundimiento y los poros, lo que permite determinar el tamaño de la pieza de plástico. El software de análisis de flujo de moldes puede predecir la contracción de la pieza de plástico y proporcionar pautas para el diseño correcto del molde.
