Marcas de Quemadura y Bolsas de Gas en Moldeo por Inyección — Diseño de Venteo, Efecto Diésel y Soluciones de Proceso

Un ingeniero de proceso de un proveedor de iluminación automotriz está inspeccionando una lente de policarbonato — 180 mm de largo, 4,2 mm de espesor en el centro y 2,0 mm en los bordes, con una única entrada submarina en la cara inferior, y un resalte de 15 mm de diámetro en cada una de las cuatro esquinas de montaje. Cada 20 a 30 disparos produce una lente con una decoloración marrón-negra — aproximadamente 3–5 mm de diámetro — en el resalte más alejado de la entrada. La decoloración no está en la superficie; está incrustada en el polímero, visible a través del PC transparente como un remolino oscuro. La especificación del cliente para una lente de iluminación delantera automotriz es cero marcas de quemadura — cualquier decoloración visible es un rechazo. Con una tasa de rechazo del 3–4 %, el molde pierde aproximadamente 180 piezas aceptables por turno. El coste anualizado de los rechazos a ¥85 por pieza es de aproximadamente ¥1,3 millones.

El ingeniero ha intentado reducir la temperatura de masa fundida de 300 °C a 285 °C — la frecuencia de quemaduras bajó del 5 % al 3 % pero no desapareció. La reducción de la velocidad de inyección de 85 mm/s a 60 mm/s bajó la frecuencia aún más al 2 %, pero la presión de llenado aumentó de 120 MPa a 155 MPa, acercándose al límite de 175 MPa de la máquina, y el tiempo de ciclo aumentó 1,8 segundos. Las marcas de quemadura siguen presentes al 2 % — un rechazo cada 50 disparos.

La causa raíz es una bolsa de gas en el resalte que se llena en último lugar — los cuatro resaltes de esquina se llenan al final, y los frentes de flujo convergentes atrapan aire en la cavidad del resalte sin vía de escape. El aire atrapado se comprime a aproximadamente 15–25 bar durante los milisegundos finales del llenado, calentándose adiabáticamente hasta aproximadamente 350–500 °C — por encima de la temperatura de degradación del PC de aproximadamente 340 °C. El polímero en la interfaz de compresión de gas se degrada térmicamente, produciendo la decoloración marrón-negra. La ventilación que debería estar en la cara extrema del resalte se omitió porque el diseñador del molde consideró el resalte como un “bolsillo ciego” que se llenaría sin atrapar aire — un error de cálculo que un análisis de flujo de molde habría detectado antes del primer disparo.

Qué es una marca de quemadura — y el gas que la causa

Una marca de quemadura es una decoloración localizada — típicamente marrón, negra o marrón plateada — sobre o justo debajo de la superficie de una pieza moldeada. Se forma cuando el gas atrapado (aire, volátiles o productos de descomposición) se comprime a alta presión y temperatura en la etapa final del llenado de la cavidad, causando la degradación térmica del polímero en la interfaz de compresión de gas.

Una marca de quemadura no es:

• Una marca de estría por humedad o degradación por cizallamiento (aunque ambas implican gas)
• Un punto caliente por una excursión localizada de temperatura del canal caliente
• Contaminación de material degradado estancado en un punto muerto del cilindro

Las marcas de quemadura siempre vienen acompañadas de gas atrapado. Encuentre la bolsa de gas, y encontrará la marca de quemadura. Elimine la bolsa de gas — ventilándola, moviéndola o llenándola más lentamente — y eliminará la marca de quemadura.

El gas atrapado puede provenir de cuatro fuentes:

La fuente más común — y la que el diseño de molde puede abordar — es el aire atrapado en la cavidad durante el llenado. Una cavidad es un volumen sellado con una única entrada (la compuerta) y ninguna salida. El aire que ocupa la cavidad antes de la inyección debe escapar a algún lugar. Si no tiene vía de escape, es comprimido por la masa fundida entrante y constituye aproximadamente el 0,1–0,5 % del volumen final de la pieza — aparentemente trivial, pero suficiente para producir una marca de quemadura visible.

El efecto diésel: compresión adiabática del gas atrapado

La física que convierte el aire atrapado en una marca de quemadura es la compresión adiabática — el mismo principio que enciende el combustible en un motor diésel. Cuando un gas se comprime rápidamente, su temperatura aumenta. Si la compresión es lo suficientemente rápida como para que el calor no tenga tiempo de transferirse al metal y plástico circundantes (es decir, la compresión es adiabática), el aumento de temperatura viene dado por:

T₂ = T₁ × (P₂ / P₁)^((γ−1)/γ)

Donde:

• T₁ = temperatura inicial del gas (~503 K / 230 °C — temperatura de pared de cavidad para PC)
• P₁ = presión inicial del gas (1 bar, atmosférica al inicio del llenado)
• P₂ = presión final del gas (la presión de cavidad al final del llenado, típicamente 300–700 bar)
• γ = relación de calores específicos para el aire (1,4)

Para PC moldeado a una presión de cavidad de 500 bar con una temperatura de pared de cavidad de 90 °C (363 K):

T₂ = 363 × (500/1)^((1,4−1)/1,4) = 363 × 500^0,286 ≈ 363 × 5,93 ≈ 2.153 K (1.880 °C)

La temperatura adiabática calculada de 1.880 °C supera con creces la temperatura de degradación del policarbonato (~340 °C), ABS (~270 °C) y la mayoría de los termoplásticos comunes. En la práctica, la temperatura real del gas es menor — la compresión no es perfectamente adiabática porque parte del calor se pierde hacia las paredes del molde y la masa fundida — pero una burbuja de gas atrapado puede alcanzar fácilmente 350–600 °C, lo que es suficiente para degradar cualquier polímero común de moldeo por inyección.

El polímero degradado en la interfaz de compresión de gas es mecánicamente débil. Ha sufrido escisión de cadena (para materiales amorfos como PC y ABS) o degradación oxidativa (para poliolefinas). El material decolorado no es solo un defecto cosmético — es una zona débil localizada con peso molecular reducido, resistencia al impacto reducida y, en casos extremos, material carbonizado que puede desprenderse de la superficie de la pieza y contaminar el ensamblaje posterior.

Cinco causas raíz y sus remedios

Causa 1: Venteo inadecuado o ausente en la ubicación de la bolsa de gas

Esta es la causa principal de marcas de quemadura en moldes nuevos. El análisis de flujo de molde predice dónde se llena la última región de la cavidad — el “área de último llenado” — que siempre es una bolsa de gas si no está ventilada. El venteo debe ubicarse exactamente en este punto de último llenado. Un venteo a 5 mm de la bolsa de gas es un venteo que no funciona — el gas está atrapado a 5 mm de la vía de escape, y la masa fundida llega al venteo antes que el gas, sellándolo.

Reglas de ubicación de venteos:

1. El venteo debe estar en la ubicación exacta de la bolsa de gas predicha por la simulación de llenado — no adyacente, no cercano
2. Los venteos secundarios deben colocarse a lo largo de la trayectoria de flujo en ubicaciones donde el frente de fusión se ralentiza o converge, como en los planos de encuentro de líneas de soldadura
3. Para bolsillos ciegos (resaltes, nervios profundos, esquinas), el venteo va en la cara extrema — el punto más profundo del bolsillo, opuesto a la entrada
4. Los expulsores pueden funcionar como venteos: un expulsor con la cara rectificada plana en la zona de bolsa de gas con 0,01–0,02 mm de holgura periférica proporciona una vía de venteo natural hacia la placa expulsora

Dimensiones de venteo por material:

El labio de venteo es la sección poco profunda en el borde de la cavidad — su profundidad determina si el gas pasa (sí) y el plástico pasa (no, si está correctamente dimensionado). El ancho del labio (3–8 mm) proporciona una restricción corta y controlada. Más allá del labio, el canal de venteo cae a un alivio mucho más profundo (0,5–1,0 mm) que no ofrece resistencia al flujo de gas, canalizando el aire que escapa hacia el exterior del molde.

La regla de profundidad del labio: 0,01 mm por debajo del umbral de rebaba del material. Si el material produce rebaba con una holgura de línea de partición de 0,03 mm, la profundidad del labio de venteo debe ser de 0,02 mm — suficientemente profundo para dejar pasar el gas, suficientemente superficial para impedir la entrada de la masa fundida. Por eso los materiales de baja viscosidad (PE, PP, PA6) requieren los venteos menos profundos — su umbral de rebaba es más bajo.

Número de venteos: No hay un número fijo. Cada ubicación de bolsa de gas — cada región donde la simulación de llenado muestra frentes de flujo convergentes o un bolsillo ciego — requiere su propio venteo. Un molde con una entrada, dos pasadores centrales y cuatro resaltes puede tener 5–8 ubicaciones de bolsa de gas, cada una requiriendo un venteo dedicado.

Causa 2: Velocidad de inyección demasiado alta para el venteo disponible

La velocidad de inyección controla directamente la rapidez con que se comprime el aire en la cavidad. Una velocidad de inyección más alta da al aire atrapado menos tiempo para escapar a través de los venteos antes de que la masa fundida selle la vía de escape — y produce simultáneamente una tasa de compresión más rápida, aumentando la temperatura máxima del gas.

La relación entre la velocidad de inyección y la formación de marcas de quemadura no es lineal. Existe una velocidad de inyección umbral por debajo de la cual los venteos existentes pueden evacuar el aire de la cavidad antes de que llegue la masa fundida, y por encima de la cual el gas queda atrapado y comprimido. Este umbral depende de:

• El área de venteo (suma de todas las secciones transversales de venteo)
• El volumen de la cavidad (más aire que evacuar = velocidad umbral más baja)
• El tiempo de llenado (menor tiempo de llenado = compresión más rápida = mayor temperatura)

Prueba diagnóstica: Realizar una serie de disparos a velocidades de inyección decrecientes incrementalmente — comenzar a la velocidad de producción normal, reducir 10 mm/s por paso, mantener todos los demás parámetros constantes. Registrar la presencia o ausencia de marcas de quemadura a cada velocidad. Graficar la frecuencia de quemaduras frente a la velocidad de inyección. El umbral es la velocidad a la que la frecuencia de quemaduras cae a cero. Si la velocidad umbral es inferior a la velocidad necesaria para llenar la cavidad completamente (es decir, la masa fundida se congela antes de llenar), el venteo es inadecuado y se requiere modificación del molde.

Inyección perfilada: En lugar de usar una única velocidad baja para todo el disparo, usar una inyección perfilada: llenado rápido (80–100 mm/s) para el primer 90–95 % del volumen de la cavidad, luego una desaceleración brusca a 20–30 mm/s para el último 5–10 % — la región donde se está comprimiendo el gas. El llenado rápido para la mayor parte del volumen evita el congelamiento prematuro; el llenado lento para la compresión final da al gas atrapado tiempo para escapar a través de los venteos. Este es el enfoque estándar para moldes con venteo limitado donde la modificación del molde no es posible de inmediato.

Causa 3: Ubicación de entrada que crea una bolsa de gas no ventilable

La ubicación de la entrada determina el patrón de llenado, y el patrón de llenado determina dónde se forman las bolsas de gas. Una entrada que llena un resalte desde el extremo abierto (la entrada está en la base del resalte, el flujo sube por la pared del resalte, encontrándose en el extremo cerrado) crea una bolsa de gas en el extremo ciego del resalte — que es accesible para el venteo porque enfrenta la línea de partición o un expulsor.

Una entrada que llena primero el área alrededor del resalte y luego llena el resalte de fuera hacia dentro crea una bolsa de gas en la base del resalte — que es inaccesible para el venteo porque está dentro de la cavidad, rodeada de plástico llenado. El gas queda atrapado en el resalte, y no hay camino para ventearlo.

La regla de ubicación de entrada para la prevención de bolsas de gas: la entrada debe posicionarse para que las bolsas de gas se formen en ubicaciones accesibles — superficies de línea de partición, caras de expulsor, caras de corredera o el extremo de nervios que alcanzan la línea de partición. Las bolsas de gas en características internas de la cavidad (interiores de resaltes llenados desde fuera, bolsillos profundos sin acceso a la línea de partición) son pesadillas de venteo.

Causa 4: Humedad del material y contenido de volátiles

El material inadecuadamente secado introduce vapor de agua y volátiles de bajo peso molecular en el flujo de masa fundida. Estos volátiles se vaporizan a la temperatura de masa fundida y contribuyen con volumen de gas adicional a la cavidad — gas que no se tuvo en cuenta en el diseño de venteo. Una cavidad ventilada para 3 cm³ de aire atrapado puede ser inadecuada para 3 cm³ de aire más 1 cm³ de vapor de agua del material no secado.

Requisitos de secado de materiales:

Un secador de material que no entrega su punto de rocío nominal (típicamente −30 °C a −40 °C para resinas de ingeniería) produce material con un 0,05–0,10 % de humedad — 2–5 veces el objetivo — añadiendo un volumen de gas sustancial a la cavidad. La prueba diagnóstica es una medición con analizador de humedad del material en la garganta de alimentación. Si el contenido de humedad está por encima de la especificación, el secador — no el venteo — es la causa raíz de las marcas de quemadura.

Causa 5: Puntos muertos y degradación de material en el cilindro

El polímero que permanece en un punto muerto — una esquina del cilindro, detrás del anillo de retención, en un ramal muerto del distribuidor de canal caliente — durante múltiples ciclos sufre una degradación térmica progresiva. El material degradado es más oscuro, más viscoso y transporta gases de descomposición. Cuando finalmente se desprende y entra en la cavidad con el siguiente disparo, produce una marca de quemadura intermitente — aparece una vez cada 10–50 disparos, nunca en la misma ubicación.

Las quemaduras por punto muerto se diagnostican por su intermitencia y aleatoriedad. Una quemadura relacionada con el venteo es altamente consistente — misma ubicación, misma forma, misma frecuencia (cada disparo o cada dos disparos). Una quemadura por punto muerto es inconsistente — diferentes ubicaciones, diferente severidad, aparece en grupos y luego desaparece durante 20 disparos.

Acción correctiva: Purgar el cilindro con un compuesto de purga comercial (no con el material de producción — el material degradado atrapado en puntos muertos no será desplazado por el mismo material que lo creó). Inspeccionar el anillo de retención en busca de desgaste — un anillo de retención desgastado crea una zona de recirculación donde el material puede estancarse. En sistemas de canal caliente, inspeccionar los ramales muertos del distribuidor — cualquier canal sin trayectoria de flujo (una entrada obstruida, una posición de boquilla no utilizada) es un punto muerto que acumula material degradado.

Venteo por vacío — cuando el venteo convencional no es suficiente

Para piezas donde el venteo a través de las holguras convencionales de línea de partición y expulsores es insuficiente — típicamente piezas de embutición profunda, piezas con gran área proyectada y tiempos de llenado cortos, o piezas transparentes con tolerancia cero a defectos cosméticos — el venteo asistido por vacío es la solución.

Un sistema de venteo por vacío conecta los canales de venteo a una bomba de vacío que evacua activamente el aire de la cavidad antes y durante la inyección. La cavidad se sella (todos los venteos están conectados al circuito de vacío), se aplica un vacío de 500–700 mbar por debajo de la presión atmosférica, y la inyección se dispara cuando se alcanza el punto de consigna de vacío. La presión inicial reducida disminuye la temperatura máxima de compresión:

Para una presión inicial de 0,3 bar (70 % de vacío) en lugar de 1,0 bar, la relación de compresión a 500 bar pasa a ser 500/0,3 ≈ 1.667 (frente a 500/1,0 = 500), pero el aumento absoluto de temperatura es solo el 60 % del caso atmosférico debido a la menor densidad inicial — hay menos moléculas de gas presentes para ser comprimidas.

En la práctica, el venteo por vacío reduce la temperatura máxima del gas atrapado en un 40–60 %, lo que puede ser suficiente para mantener la temperatura del gas por debajo del umbral de degradación del polímero.

El venteo por vacío añade aproximadamente ¥15.000–30.000 al coste del molde (bomba de vacío, distribuidor, sellos, sistema de control) y 1–3 segundos al tiempo de ciclo (establecimiento del vacío). Se reserva para aplicaciones donde el coste de los rechazos por marcas de quemadura supera el coste amortizado del sistema de vacío — típicamente iluminación automotriz, componentes médicos transparentes y piezas ópticas.

Análisis de flujo de molde para predicción de bolsas de gas

La simulación de flujo de molde predice las ubicaciones de las bolsas de gas con alta precisión. La simulación de llenado rastrea el frente de fusión que avanza, y cualquier región de la cavidad donde el frente de fusión converge desde múltiples direcciones — una “isla” de cavidad no llenada rodeada de cavidad llenada — se marca como una bolsa de gas.

La simulación requiere que se modele el venteo: si no se especifican venteos en la simulación, las bolsas de gas se predicen asumiendo venteo cero (todo el gas queda atrapado). Si se especifican venteos en ubicaciones concretas con dimensiones concretas, la simulación calcula cuánto gas escapa a través de cada venteo y si el gas atrapado restante es suficiente para producir una quemadura.

El flujo de trabajo estándar previo a la producción:

1. Ejecutar simulación de llenado sin venteos → identificar todas las ubicaciones de bolsas de gas
2. Añadir venteos en cada ubicación de bolsa de gas → volver a ejecutar la simulación con condiciones de contorno ventiladas
3. Verificar que no queden bolsas de gas sin ventear
4. Si persisten bolsas de gas sin ventear (ubicaciones inaccesibles), ajustar la ubicación de la entrada para cambiar el patrón de llenado, o añadir venteos de expulsor en las ubicaciones de bolsa de gas

Una revisión DFM que incluya el análisis de bolsas de gas identifica los riesgos de marcas de quemadura antes de mecanizar el acero. El coste de añadir un venteo durante el diseño del molde es el coste de una ranura mecanizada — aproximadamente ¥200–500 por venteo. El coste de añadir el mismo venteo modificando un molde terminado — desmontaje, remecanizado, remontaje, recalificación — es de ¥3.000–8.000 por venteo más 2–5 días de parada.

El ingeniero de iluminación automotriz que comenzó con un 3–4 % de rechazos por marcas de quemadura en la lente de PC identificó finalmente dos causas raíz mediante un diagnóstico sistemático. Primero, un análisis de flujo de molde del patrón de llenado existente confirmó cuatro bolsas de gas en los cuatro resaltes de esquina — cada resalte se llenaba de fuera hacia dentro, atrapando aire en la cara extrema del resalte sin vía de venteo. Segundo, se descubrió que el secador de material estaba entregando un punto de rocío de −22 °C en lugar del −40 °C especificado — desecante desgastado — produciendo PC con un 0,04 % de humedad en lugar del objetivo de <0,02 %, añadiendo vapor de agua al aire atrapado y aumentando el volumen de gas en cada resalte en aproximadamente un 30 %.

Las acciones correctivas: se añadieron venteos de expulsor en la cara extrema de cada resalte (los expulsores existentes se rectificaron planos para proporcionar una vía de venteo periférica de 0,03 mm hacia la placa expulsora — una modificación de ¥2.000 por expulsor que no requirió desmontaje del molde más allá de retirar los expulsores para el rectificado). El desecante del secador se reemplazó (¥3.000), restaurando el punto de rocío de −40 °C y llevando la humedad del material al 0,015 %.

Tras ambas correcciones, la frecuencia de quemaduras cayó del 3–4 % a cero — ninguna marca de quemadura en una validación de 5.000 disparos. El coste anual de rechazos de ¥1,3 millones fue eliminado. La velocidad de inyección se restauró a 85 mm/s, la temperatura de masa fundida a 300 °C y el tiempo de ciclo a su valor original.

Las marcas de quemadura son un problema de gas. Si el gas no puede escapar, quema el plástico. La solución es siempre la misma en principio — dé al gas una vía de salida — pero el arte está en saber dónde está atrapado el gas, y si el venteo puede añadirse en esa ubicación sin modificar el molde. El análisis de flujo de molde hace que la primera pregunta sea respondible; el diseño del molde hace que la segunda pregunta sea accionable.

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