Tercera tarea: Estudio multicavidad, sistema de alimentación y analisis detallado de coste del componente inyectado

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Tarea 3

Esta tarea está orientada al estudio del comportamieno del molde real, esto es, se va a considerar ya que el molde tendrá 3 cavidades, se van a implementar los circuitos auxiliares (bebedero, canales y entradas), de forma que se obtiene una información más veraz de lo que realmente pasará con el molde una vez puesto en producción, pues hasta ahora sólo se ha tenido en cuenta la existencia de una única pieza, sin bebederos ni canales. Además de diseñar los mencionados circuitos, se va a prediseñar un sistema de refrigeración que permita reducir los tiempos de ciclo de la pieza, optimizando su producción y reduciendo costes. Este prediseño se afinará más en posteriores diseños más detallados si procede.

Análisis multicavidad. Dimensionado de placas.

Se va a diseñar en esta parte la disposición que tendrán que tener las cavidades en las placas de figura. Además se seleccionará un tamaño normalizado para dichas placas que pueda albergar tanto las tres cavidades como el sistema de refrigeración que se diseñará posteriormente. Dichos elementos se tomarán del catálogo de elementos normalizados que ofrece la marca HASCO.

Además se realizarán los análisis preliminares a realizados ( cofianza de llenado, calidad esperada, ...) que se han realizado ya para una única pieza, pero ahora aplicándolos al conjunto de las tres cavidades de las que constará el molde real.

En primer lugar se escogerán las placas normalizadas que puedan albergar las cavidades. En la entrega anterior ya se planteó cómo será el diseño en planta del molde multicavidad, por lo que conociendo las dimensiones de la pieza se puede tener una estimación del tamaño necesario de placa.

Croquis de planta con cotas generales
Croquis de planta con cotas generales


Se puede hacer a partir de este croquie una estimación del tamaño mínimo que deberá tener la placa. Estas dimensiones serán:

-Ancho: 180 + 2 x 60 x Cos(60º) = 240 mm

-Profundidad: 60 + 180 x Sen(60º) = 216mm

Se puede ver en esta imagen que la placa deberá tener al menos unas dimensiones de 240 x 216 mm para poder albergar las tres cavidades. Lógicamente a la hora de elegir las placas se irá a medidas mayores pues no es conveniente que la cavidad quede muy cerca del límite de la placa.

Por otro lado, se sabe que la altura de la pieza es de 33 mm, y teniendo en cuenta que se ha de albergar un sistema de refrigeración, se habrá de buscar placas que tengan al menos el doble de espesor, osea de 66 mm para arriba.

Con esta información se acude al catálogo mencionado y se encuentra que la alternativa en principio más adecuada es la siguiente:

Placa P/ 296X346X 76/3.4365
Placa P/ 296X346X 76/3.4365

Cuyas dimensiones son 296 x 346 x 76.

Se procede con estas medidas a realizar los análisis de llenado del molde multicavidad mediante la simulación con MoldFlow.

Lo primero será establecer la configuración de las cavidades. Para ello, se accede al menú del tipo de molde y se establece que será multicavidad.

Selección de molde multicavidad.
Selección de molde multicavidad.

Tras esto, realizaremos la operación de duplicado de la pieza empleando un patrón radial para conseguir la geometría anteriormente expuesta en el croquis.

Herramienta de duplicado según patrón radial.
Herramienta de duplicado según patrón radial.

Con ello se obtendrá una geometría que puede no ser la que deseemos, pero con operaciones de translación o rotado de las cavidades se puede llegar al resultado deseado, que en este caso es el siguiente:

Distribución de las cavidades.
Distribución de las cavidades.

El siguiente paso es establecer los puntos de inyección, y posteriormente el plano de desmoldeo. El establecimiento de los puntos de inyección se realizará como se ha venido haciendo en entregas anteriores, y el plano de desmoldeo se realizará con la herrameinta que MoldFlow proporciona para ello. Por defecto esta herramienta sugiere una línea de desmoldeo, pero se puede mover si se desea. En este caso no ha sido necesario pues la ha colocado en el lugar exacto que se deseaba.

Partición del molde
Partición del molde

En esta imágen se observa cómo además de generar una división, el propio programa asigna a cada una de las placas el papel de fija (la superior, en rojo) o móvil (la inferior, en verde). Esta asignación está basada en que la placa de Z mayores será la que se mantendrá como fija. Si no resultase correcto sería necesario reorientar la pieza según los ejes cartesianos para invertir la posición de las dos partes del molde.

Hay que comentar que las placas que asigna MoldFlow son de un tamaño tal que puedan albergar la geometría, pero lo que se desea es que tengan unas medidas concretas (las especificadas anteriormente) para que puedan ser seleccionadas de un catálogo normalizado. Para que la simulación sea realista habrá que redefinir el tamaño de las placas en el programa.

Partición del molde: Selección de medidas para las placas
Partición del molde: Selección de medidas para las placas

Una vez realizado esto, el resultado final es el siguiente:

Partición del molde: Resultado final con medidas normalizadas
Partición del molde: Resultado final con medidas normalizadas

El siguiente paso es establecer el bebedero y los canales que se encargarán de hacer llegar el material hasta las cavidades. Para ello se empleará el runner wizard, que facilita la colocación del bebedero y los canales. En primer lugar nos pide que posicionemos el bebedero en planta. Lo colocaremos en el punto central de las piezas:

Colocación del bebedero en el centro de las cavidades
Colocación del bebedero en el centro de las cavidades

Además nos permite elegir entre diferentes tipos de bebederos. Elegiremos el bebedero de tipo cónico, que facilita la salida del bebedero de la cavidad una vez que la pieza está terminada, y el tipo de colada, que será fría

Selección del tipo de bebedero
Selección del tipo de bebedero

Además, seleccionaremos el tipo de canales que deseamos. Se van a seleccionar de forma rectangular por la facilidad de mecanizado que éstos representan respecto a las demás alternativas. Además, habrá que seleccionar el tipo de colada como frío en este caso también

Selección del tipo de canales
Selección del tipo de canales

Por último aunque no por ello menos importante se selecciona el tipo de entrada. Se ha seleccionado entrada submarina, que presenta la gran ventaja de realizar automáticamente la separación de las piezas de la colada, ahorrando tiempo de manufactura considerablemente.


Selección del tipo de entrada
Selección del tipo de entrada

Finalmente se obtiene el sistema de alimentación deseado, como se muesta en la siguiente imagen. Cabe destacar que el asistente no siempre llevará al resultado deseado, pero esto se puede solucionar realizando los pasos de forma manual para obtener un mejor resultado.

Esquema general del sistema de alimentación de las cavidades
Esquema general del sistema de alimentación de las cavidades
Detalle de la entrada submarina a la pieza
Detalle de la entrada submarina a la pieza

Se está ya en disposición de realizar el análisis de llenado de las tres cavidades junto con el sistema de alimentación del molde. Para ello se procede de la misma forma que se ha venido haciendo en anteriores entregas, esto es, se seleccionará el material que formará las piezas y se elige el tipo de análisis que se desea: llenado y calidad de enfriamiento. Estos serán los análisis preliminares que determinarán la viabilidad o no de la inyección de la pieza según este sistema. A continuación se muestran y comentan los resultados obtenidos.

En primer lugar se analizará el ensayo de tiempo de llenado con el fin de ver cómo de equilibrado está el sistema de llenado. Esto se verá en que el tiempo de llenado para las mismas zonas de cada cavidad sea el mismo.

Análisis del tiempo de llenado del sistema multicavidad
Análisis del tiempo de llenado del sistema multicavidad

Como se puede ver en la imagen el tiempo de llenado es similar en todas las piezas, por lo que el sistema está equilibrado.

A continuación se muestran los ensayos de confianza de llenado y predicción de calidad, que nos aportarán la información esencial de cómo de factible es realizar la inyección con el sistema planteado.

Análisis de confianza de llenado del sistema multicavidad
Análisis de confianza de llenado del sistema multicavidad
Análisis de confianza de llenado del sistema multicavidad 2
Análisis de confianza de llenado del sistema multicavidad 2
Análisis de predicción de calidad del sistema multicavidad
Análisis de predicción de calidad del sistema multicavidad
Análisis de predicción de calidad del sistema multicavidad 2
Análisis de predicción de calidad del sistema multicavidad 2

Se observa que tanto la confianza de llenado como la predicción de calidad son aceptables con este sistema de alimentación, por lo que en principio será válido.

Por último se muestran los resultados de aparición de busbujas de aire, que habrá que tener en cuenta a la hora de diseár el sistema de expulsión para permitir que la mayoría de esas burbujas escapen por ellos, y de líneas de soldadura.

Predicción de aparición de burbujas
Predicción de aparición de burbujas
Predicción de aparición de líneas de soldadura
Predicción de aparición de líneas de soldadura

Por último se recuerda que el tamaño del lote será de 150.000 piezas, como ya se ha comentado en entregas anteriores.

Estimación de colada fría: optimización y balanceo de diseño de canales.

Se pretende en esta segunda parte de la tarea optimizar el sistema de alimentación mediante dos herramientas:

  1. Runner adviser
  2. Runner balance

Se comienza empleando la primera, que realizará un equilibro de los canales de alimentación proponiendo varias modificaciones a aplicar. Para ello cambiaremos el tipo de análisis a Runner adviser, seleccionaremos material y condiciones de inyección propias y realizaremos el análisis. Las sugerencias que propone esta herramienta son las siguientes:

Sugerencias de mejora del Runner Adviser
Sugerencias de mejora del Runner Adviser

Entre ellas están

-Afinar la entrada del bebedero y agrandar su parte inferior. -Agrandar ligeramente los canales de alimentación. -Mantener las dimensiones de las entradas.

Aplicaremos todas para optimizar el sistema de alimentación.

Tras esto cambiaremos el tipo de análisis una vez más, para realizar ahora un Runner Balance, que se encargará de afinar un poco más el sistema de alimentación si es posible. Los resultados obtenidos con este análisis son los siguientes.

Sugerencias de mejora del Runner Balance
Sugerencias de mejora del Runner Balance

Dichas modificaciones consisten en reducir el tamaño de los canales casi a la mitad de su tamaño original.

Se aplicarán las modificaciones sugeridas y se realizará un análisis de llenado posterior con el fin de comprobar que efectivamente estas modificaciones siguen permitiendo conseguir la pieza de una calidad aceptable.

Se obtienen los siguientes resultados para los principales análisis:

Tiempo de llenado tras optimización de sistema de alimentación
Tiempo de llenado tras optimización de sistema de alimentación
Confianza de llenado tras optimización de sistema de alimentación
Confianza de llenado tras optimización de sistema de alimentación
Predicción de calidad tras optimización de sistema de alimentación
Predicción de calidad tras optimización de sistema de alimentación

Se observa claramente que la pieza sique siendo perfectamente inyectable tras realizar los cambios propuestos por las herramientas utilizadas en este apartado, por lo que se mantendrán estos cambios. Se ha conseguido así el dimensionamiento óptimo de las canalizaciones para permitir el flujo del material de forma adecuada sin tener un exceso de desecho en la colada fría, lo cual implicaría mayores costes por gasto innecesario de material.

Prediseño del sistema de refrigeración.

En esta sección se realizará un primer diseño del sistema de refrigeración que permitirá enfriar la pieza para que se pueda reducir drásticamente el tiempo de ciclo de producció de la pieza, de forma que se reduzcan los costes.

Para ello se diseñarán los conductos básicos, que formarán el circuito principal sobre el que se podrán añadir posteriormente refrigeradores de núcleo o baffles. Estos refrigeradores de núcleo tienen la misión de conseguir la evacuación de calor de las partes internas de la pieza, que no son accesibles por medio de loa canales principales.

Se comienza por el diseño de los mencionados canales principales, empleando para ello el cooling wizard que incluye el programa, el cual realizará la primera aproximación de los canales y que podrá ser modificada en caso de que no resulte conveniente.

El resultado obtenido es el siguiente:

Disposición de canales principales de refrigeración.
Disposición de canales principales de refrigeración.

El siguiente paso es posicionar los refrigeradores de núcleo para que se consiga un enfriamiento óptimo de todas las partes. Para ello ha sido necesario recolocar algunos de los canales que el cooling wizard había proporcionado previamente, de forma que los baffles quedaran colocados en la posición óptima. El diseño del sistema de refrigeración una vez incorporados dichos refrigeradores es el siguiente:

Disposición de canales principales de refrigeración modificados y con baffles.
Disposición de canales principales de refrigeración modificados y con baffles.
Disposición los baffles en detalle.
Disposición los baffles en detalle.

Es el momento de realizar el análisis de enfriamiento. Para ello se configurará el programa para que realice este análisis. Para ello se requerirán los datos de material y condiciones de inyección. Además se podrán configurar parámetros del ciclo de inyección, como se ve en la siguiente imagen.

Configuración para análisis de refrigeración.
Configuración para análisis de refrigeración.

Se configurará el proceso de inyección de forma automática, ya que la optimización del ciclo se realizará posteriormente.

Los resultados obtenidos en el primer análisis no son aceptables y por tanto, una vez detectados los puntos donde aparecen los problemas, se realiza un rediseño con objeto de mejorar el sistema de refrigeración.El rediseño proporciona el siguiente sistema de refrigeración.

Sistema de refrigeración rediseñado.
Sistema de refrigeración rediseñado.
Detalle del sistema de refrigeración rediseñado.
Detalle del sistema de refrigeración rediseñado.


Los principales resultados obtenidos son los siguientes.

Resultados de simulación de la refrigeración:Calidad de enfriamiento
Resultados de simulación de la refrigeración:Calidad de enfriamiento

Se observa en esta imagen que las zonas que ya se preveia que tenían mala calidad de enfriamiento quedan confirmadas como tal, pues la geometría de esas zonas así lo determina. No obstante son zonas que no representan un gran tanto por ciento de la pieza y que además serán ocultas.


Resultados de simulación de la refrigeración:Tiempo hasta obtención de temperatura de expulsión
Resultados de simulación de la refrigeración:Tiempo hasta obtención de temperatura de expulsión

En este apartado es donde se ha conseguido realmente mejorar respecto al primer diseño de la refrigeración, al poner cuatro refrigeradores de núcleo por cavidad, y cercanos a las torretas que son las zonas que mayor tiempo necesitan para poder alcanzar dicha temperatura.


Asimismo el programa nos ofrece una estimación del tiempo de ciclo. Como se ha comentado anteriormente, este tiempo se reducirá considerablemente en próximas tareas por medio de juego con la curva de mantenimiento.

Tiempo de ciclo estimado con el sistema de refrigeración.
Tiempo de ciclo estimado con el sistema de refrigeración.

Estimación de costes: Cost Adviser

Una vez obtenida la estimación de los tiempos de ciclo, se puede obtener una aproximación de los costes de cada pieza si se conocen los costes del material, los costes horarios de la máquina inyectora y los costes de producción asociados al funcionamiento de la maquinaria entre otros. Para ello se usará la herramienta Cost Adviser de MoldFlow.

Esta herramienta necesita la información antes mencionada, que se irá introduciendo en los sucesivos pasos de confguración que requiere el software. Estos pasos se detallan individualmente a continuación.

Primeramente se requiere el volumen y la superficie de la pieza. El propio progama lo calcula por defecto y no será necesario modificar esos valores.

Cálculo del volumen y la superficie.
Cálculo del volumen y la superficie.

El segundo paso es proporcionar al programa el número de shots ( nº de piezas totales/nº de cavidades) y el precio del material. El precio del material elegido ronda los 1,9 €/Kg. El propio programa nos da información valiosa, como que el material necesario total serán casi 3000 Kg y lo que se deberá pagar por él serán algo más de 5500 €.

Número de shots y precio del material.
Número de shots y precio del material.

El tercer paso será indicar al programa cómo de enficiente es el proceso en cuanto a material desechado. Esta tasa, que siempre será menor del 10% en procesos razonablemente bien optimizados, será del 7% para estos cálculos.


Estimación del % de scrap que se tendrá.
Estimación del % de scrap que se tendrá.

El siguiente paso es establecer el precio del molde y su durabilidad. Se ha estimado un precio de 25.000 € para la primera cavidad y un precio de 15.000 para las siguientes, obteniéndose un precio total de molde de 55.000 €. Por otro lado se ha estimado que la durabilidad del molde será de 200.000 shots, por lo que permitirá hacer la serie completa.

Coste y durabilidad del molde.
Coste y durabilidad del molde.

A continuación se añadirán otros costes imputables a la máquina y al consumo de ésta. El coste de la máquina inyectora se estima en 50€/hora, mientras que el del consumo eléctrico será de 0,01€/inyectada. El tiempo de ciclo se ha reducido a la mitad aproximadamente del tiempo de ciclo que en principio ofrecía como estimación MoldFlow. Esto es debido a que será probablemente el tiempo que se alcance para el ciclo una vez realizada la optimización del ciclo de inyección.

Costes de máquina y de consumo.
Costes de máquina y de consumo.

Finalmente se pueden añadir otros costes. Se ha optado por añadir sólo costes de ensamblaje en esta parte, pues no requerirá acabados en principio, ni operaciones secundarias, y los otros costes que ofrece el programa no serán imputados individualmente a cada pieza. El coste de montaje por inyectada se ha estimado en 6 céntimos teniendo en cuenta un salario del operario que ensambla de 8 €/hora y que para la operación de ensamblado de esta pieza en el conjunto se requerirán 10 segundos aprozimadamente.

Costes adicionales.
Costes adicionales.

Con todo esto el programa está listo para realizar su cálculo, ofreciéndonos el siguiente resultado:

Proporción de costes de cada inyectada y coste total de inyectada.
Proporción de costes de cada inyectada y coste total de inyectada.

En esta imagen se observa que el coste total por inyectada es de 1,3€, siendo por tanto el coste por pieza de 43 céntimos. Además se puede observar que una buena parte de ese coste es molde, pues se ha estimado un precio alto por ser un molde de relativa complejidad y una serie que aún no siendo corta, no es excesivamente larga tampoco.

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