Marcas de Estriado y Vetas Plateadas en Moldeo por Inyección — Humedad, Cizallamiento y Degradación del Material

Un ingeniero de calidad de un fabricante por contrato de dispositivos médicos sostiene un mango de instrumento quirúrgico de polifenilsulfona (PPSU) — una pieza ámbar transparente, de 120 mm de largo, con pared uniforme de 3,5 mm, moldeada en un molde de una sola cavidad con entrada directa de bebedero. La superficie de la pieza muestra un patrón en forma de abanico de finas estrías blanco-plateadas que irradian desde la zona de la entrada — aproximadamente 25 mm de largo, visibles en ambos lados de la pieza y más pronunciadas en un radio de 15 mm alrededor de la entrada. Bajo el estándar de inspección de 1.200 lux del cliente, las estrías no cumplen la especificación cosmética. El problema comenzó hace tres días, tras un cambio de material a un nuevo lote de PPSU del mismo proveedor y grado. El lote anterior había funcionado durante seis meses sin un solo rechazo cosmético. Nada más cambió: mismo molde, misma máquina, mismos parámetros de proceso.

El ingeniero revisa el secador: punto de consigna de 150 °C con punto de rocío de −40 °C, tiempo de secado de 5 horas — todo dentro del rango recomendado por el proveedor del material. La pantalla de punto de rocío del secador marca −38 °C. El material se cargó en la tolva esta mañana. Todo parece correcto.

La causa raíz es la humedad — pero no por un secado inadecuado. El nuevo lote de PPSU había estado almacenado durante 14 meses en el almacén del proveedor, y la bolsa sellada — aunque técnicamente sin abrir — tenía un pequeño orificio en la capa de aluminio, invisible a simple vista. El material había absorbido aproximadamente un 0,15 % de humedad durante 14 meses en un almacén sin climatización en Guangdong, donde la humedad promedio es del 75–85 %. El ciclo de secado estándar de 5 horas a 150 °C reduce la humedad del 0,15 % a aproximadamente 0,04 % — por encima del máximo de 0,02 % para PPSU y suficiente para producir estriado visible. La solución no fue cambiar los ajustes del secador ni los parámetros del proceso. Fue extender el tiempo de secado a 8 horas para este lote específico, reduciendo la humedad al objetivo de 0,02 %, y añadir verificación de humedad de entrada para todos los lotes de material futuros.

Las marcas de estriado son el defecto de moldeo por inyección más frecuentemente mal diagnosticado porque todas parecen similares — estrías plateadas o blanquecinas — pero tienen cuatro causas raíz independientes. Tratar el estriado por degradación térmica aumentando la temperatura del secador empeora el problema. Tratar el estriado por humedad reduciendo la temperatura de masa fundida aumenta la viscosidad de la masa fundida y degrada el llenado. La acción correctiva debe coincidir con la causa raíz, y la causa raíz puede identificarse por el patrón de estriado si se sabe qué buscar.

Qué es el estriado — y cómo lucen los cuatro tipos

El estriado (también llamado vetas plateadas, plateado o marcas de salpicadura) es un defecto superficial que consiste en finas estrías alargadas — típicamente blanco-plateadas, a veces con tinte marrón — que irradian desde la entrada o aparecen en parches aislados en la superficie de la pieza. Las estrías están orientadas en la dirección del flujo, porque el gas o material degradado que las causa es estirado por el flujo de fuente a medida que la masa fundida llena la cavidad.

El estriado es fundamentalmente un defecto impulsado por gas. Las burbujas de gas arrastradas en el flujo de masa fundida — ya sea vapor de agua, gases de descomposición o aire atrapado — se estiran en estrías alargadas a medida que la masa fundida fluye a través de la cavidad, y las estrías quedan congeladas en la superficie cuando la masa fundida entra en contacto con la pared de la cavidad y se solidifica. Las cuatro causas raíz difieren en el origen del gas y en cómo entra en la masa fundida:

La secuencia de diagnóstico: determinar cuál de las cuatro fuentes de gas está produciendo el estriado, luego abordar esa fuente. Abordar la fuente equivocada puede empeorar el estriado o cambiar un tipo de estriado por otro.

Tipo 1: Estriado por humedad — vapor de agua en la masa fundida

La humedad es la causa más común de estriado y lo primero que hay que comprobar cuando aparece el estriado — especialmente si el estriado comenzó tras un cambio de lote de material, una intervención de mantenimiento del secador o un cambio estacional de humedad.

La mayoría de los termoplásticos de ingeniería son higroscópicos — absorben humedad del aire. El contenido de humedad de equilibrio depende del material, la humedad ambiente y el tiempo de exposición. El ABS alcanza aproximadamente 0,3–0,5 % de humedad al 50 % de humedad relativa en 24 horas. El PA6 alcanza 1,5–2,5 % al 50 % HR — el más alto de los materiales comunes de moldeo por inyección — y puede alcanzar 3–4 % al 80 % HR. El PPSU alcanza 0,4–0,6 % en condiciones similares.

Cuando el material húmedo entra en el cilindro, el agua se vaporiza a la temperatura de masa fundida (200–350 °C dependiendo del material). La expansión de volumen de agua líquida a vapor es aproximadamente 1.700:1 a presión atmosférica. Un solo gránulo de PA6 con 2 % de humedad contiene suficiente agua para producir aproximadamente 0,3 cm³ de vapor cuando se calienta a 280 °C — y una sola dosis de 50 gramos de PA6 al 2 % de humedad contiene aproximadamente 1 gramo de agua, produciendo 1,7 litros de vapor a presión atmosférica. En el espacio confinado del cilindro y la cavidad, este vapor se comprime, se arrastra en la masa fundida, se estira por el flujo y se congela en la superficie de la pieza como estriado.

Requisitos de secado de materiales — el contenido de humedad objetivo por debajo del cual no ocurre el estriado:

El tiempo de secado debe medirse desde que el material alcanza la temperatura de secado en el núcleo del gránulo — no desde que se enciende el secador. Un secador de tolva cargado con 50 kg de gránulos fríos tarda 30–60 minutos en que el lecho de gránulos alcance la temperatura de consigna. El tiempo de secado de 4 horas comienza cuando los gránulos alcanzan la temperatura, no cuando se enciende el secador.

Confirmación diagnóstica: Si se sospecha de estriado por humedad, tomar una lectura con analizador de humedad del material en la garganta de alimentación — no de la tolva del secador, sino de la tolva de la máquina donde el material entra realmente en el cilindro. Un material que mide 0,03 % en la salida del secador puede haber captado 0,01–0,02 % de humedad durante la transferencia a través de mangueras no calefactadas o una tolva de máquina no sellada. La lectura en la garganta de alimentación es el contenido de humedad que el cilindro realmente ve.

Acciones correctivas para el Tipo 1

1. Aumentar el tiempo de secado. Si el material ha absorbido humedad más allá del rango normal — por almacenamiento prolongado, embalaje dañado o exposición a alta humedad — el tiempo de secado estándar es insuficiente. Duplicar el tiempo de secado para material del que se sabe que ha estado expuesto a humedad superior a las condiciones normales de almacén, y verificar con un analizador de humedad antes de aprobar para producción.
2. Aumentar la temperatura de secado dentro del rango recomendado por el proveedor. Un aumento de 10 °C en la temperatura de secado duplica aproximadamente la tasa de difusión de humedad en la mayoría de los termoplásticos. El límite superior es la temperatura de reblandecimiento o degradación del material.
3. Verificar el rendimiento del secador. Un secador con desecante saturado entrega aire a un punto de rocío de −10 °C a −20 °C en lugar del −40 °C especificado. El contenido de humedad de equilibrio del material está determinado por el punto de rocío del aire de secado — no por la temperatura del secador. Un secador a la temperatura correcta con un lecho desecante fallado a −15 °C de punto de rocío secará PA6 a aproximadamente 0,15–0,20 % de humedad, no al objetivo de <0,10 %. Reemplazar el desecante, limpiar los filtros y comprobar el ciclo de regeneración.
4. Sellar la trayectoria de transferencia de material. Desde la salida del secador hasta la garganta de alimentación de la máquina, el material secado debe viajar a través de mangueras o tubos sellados — no expuesto al aire ambiente. Un gránulo de PA6 secado expuesto a aire ambiente al 70 % HR reabsorbe aproximadamente 0,02–0,03 % de humedad en 10–15 minutos — suficiente para degradar de <0,10 % a >0,12 %.

Tipo 2: Estriado por degradación térmica — el polímero se está cocinando

El estriado por degradación térmica ocurre cuando el polímero sufre escisión de cadena o degradación oxidativa por temperatura o tiempo de residencia excesivos en el cilindro. La degradación produce fragmentos de bajo peso molecular — algunos de los cuales son gaseosos a la temperatura de masa fundida — y los gases son arrastrados en la masa fundida y estirados en estrías en la superficie de la pieza.

A diferencia del estriado por humedad, que es blanco plateado, el estriado por degradación térmica tiene un tinte característico de marrón a negro y a menudo se acompaña de un desplazamiento hacia el amarillo en el color base del material. En materiales transparentes (PC, PMMA, PPSU), el material degradado aparece como una neblina amarillo-marrón alrededor de la zona de la entrada. En materiales opacos, la degradación produce estrías marrón oscuro o negras — difíciles de distinguir de las marcas de quemadura excepto por la ubicación (el estriado por degradación está cerca de la entrada, las marcas de quemadura están en la última región llenada).

La degradación térmica tiene tres subcausas:

Subcausa A: Temperatura de masa fundida excesiva. El proveedor del material especifica un rango de temperatura de masa fundida — típicamente 260–300 °C para PC, 230–260 °C para ABS, 280–310 °C para PA66. Operar en el límite superior o por encima de él degrada el polímero. La tasa de degradación aproximadamente se duplica por cada aumento de 10 °C por encima del rango recomendado. Un PC procesado a 310 °C se degrada aproximadamente el doble de rápido que el mismo PC a 300 °C.

Subcausa B: Tiempo de residencia excesivo. Incluso a la temperatura de masa fundida recomendada, el polímero se degrada si permanece demasiado tiempo en el cilindro. El tiempo de residencia máximo recomendado varía según el material: 5–8 minutos para PC, 8–12 minutos para ABS, 4–6 minutos para POM, 10–15 minutos para PE y PP. El tiempo de residencia se calcula como:

Tiempo de residencia (min) = Capacidad del cilindro (g) / Peso de dosis (g) × Tiempo de ciclo (min)

Para una capacidad de cilindro de 500 g, un peso de dosis de 100 g y un tiempo de ciclo de 30 segundos (0,5 min), el tiempo de residencia es 500/100 × 0,5 = 2,5 minutos — muy dentro de los límites de la mayoría de los materiales. Para una capacidad de cilindro de 500 g, un peso de dosis de 25 g y un tiempo de ciclo de 45 segundos (0,75 min), el tiempo de residencia es 500/25 × 0,75 = 15 minutos — demasiado largo para la mayoría de los termoplásticos de ingeniería. El cilindro es demasiado grande para el tamaño de dosis.

Subcausa C: Puntos calientes en el cilindro o canal caliente. Una banda calefactora defectuosa, un termopar que lee incorrectamente o un distribuidor de canal caliente con un punto caliente localizado pueden sobrecalentar una pequeña fracción de la masa fundida. El material sobrecalentado se degrada, produce gas y crea estriado — pero solo la fracción degradada muestra el defecto, por lo que el estriado puede ser intermitente (una estría cada pocos disparos) en lugar de consistente.

Confirmación diagnóstica para degradación térmica: Purgar el cilindro y el canal caliente, recoger una muestra de purga e inspeccionarla en busca de cambio de color en comparación con el material virgen. Un disparo al aire (purga al aire libre, no en el molde) que muestra tinte marrón o burbujas confirma la degradación en el cilindro. Si el disparo al aire está limpio pero la pieza moldeada muestra estriado, la degradación probablemente está en la entrada (sobrecalentamiento por cizallamiento) o en un punto muerto del canal caliente.

Acciones correctivas para el Tipo 2

1. Reducir la temperatura de masa fundida — apuntar al centro del rango recomendado por el proveedor, no al límite superior. Si el material se procesa a 260–300 °C, comenzar a 280 °C y ajustar al alza solo si los problemas de llenado lo exigen.
2. Reducir el tiempo de residencia — usar un cilindro dimensionado para el peso de dosis (el peso de dosis debe ser del 20–60 % de la capacidad del cilindro). Si el cilindro está sobredimensionado, considerar un conjunto de husillo y cilindro más pequeño.
3. Purgar al parar. Nunca dejar materiales sensibles al calor (PC, POM, PBT, PPSU) en un cilindro caliente durante el tiempo de inactividad. Purgar con un compuesto de purga estable o con el siguiente material de producción antes de apagar la calefacción del cilindro.
4. Comprobar las bandas calefactoras y los termopares. Una banda calefactora que funciona 30–50 °C por encima de su punto de consigna debido a un termopar defectuoso es una fuente de degradación localizada. Verificar las temperaturas del cilindro con un termómetro de sonda independiente — no con la pantalla de la máquina, que lee el termopar que puede estar defectuoso.

Tipo 3: Estriado por sobrecalentamiento por cizallamiento — demasiado rápido a través de un paso demasiado pequeño

El estriado por sobrecalentamiento por cizallamiento ocurre cuando la masa fundida experimenta una tasa de cizallamiento que excede la tasa de cizallamiento crítica del material en una restricción del flujo — típicamente la entrada, una esquina afilada en el canal de alimentación o una sección de pared delgada. A tasas de cizallamiento por encima del límite crítico, las cadenas de polímero sufren escisión mecánica: las fuerzas de cizallamiento literalmente desgarran las cadenas de polímero, produciendo fragmentos de bajo peso molecular y productos de descomposición gaseosos.

La tasa de cizallamiento crítica es específica del material:

La tasa de cizallamiento a través de una entrada se calcula como:

Tasa de cizallamiento (1/s) = 4 × Caudal volumétrico (cm³/s) / (π × Radio de la entrada³ (cm))

Para una pieza de PC con un caudal volumétrico de 80 cm³/s a través de una entrada submarina de 1,2 mm de diámetro (0,06 cm de radio):

Tasa de cizallamiento = 4 × 80 / (π × 0,06³) ≈ 320 / 0,000678 ≈ 472.000 1/s

Esto supera con creces la tasa de cizallamiento crítica del PC de 20.000–40.000 1/s. La entrada es demasiado pequeña para el caudal. La masa fundida está siendo desgarrada mecánicamente al pasar por la entrada, produciendo estriado por cizallamiento en la zona de la entrada.

La prueba del tamaño de entrada: Si el estriado aparece en la entrada y en ningún otro lugar, y desaparece cuando la velocidad de inyección se reduce un 30–40 %, la causa raíz es el sobrecalentamiento por cizallamiento — la velocidad de inyección (y por tanto el caudal) es demasiado alta para el diámetro de la entrada. La solución permanente es aumentar el diámetro de la entrada o cambiar el tipo de entrada a uno con mayor sección transversal (p. ej., entrada submarina → entrada lateral, o entrada lateral → entrada en abanico).

La longitud del labio de entrada también importa. Un labio de entrada largo (la sección paralela en la entrada de la compuerta) extiende el tiempo que la masa fundida pasa bajo alto cizallamiento. Acortar el labio de entrada de 2,0 mm a 1,0 mm reduce el tiempo de exposición al cizallamiento en un 50 % para el mismo caudal.

Acciones correctivas para el Tipo 3

1. Reducir la velocidad de inyección — la solución inmediata de proceso. Una reducción del 30 % en la velocidad de inyección reduce el caudal volumétrico y correspondientemente reduce la tasa de cizallamiento en un 30 %. Si esto elimina el estriado, se confirma el diagnóstico: sobrecalentamiento por cizallamiento.
2. Aumentar el diámetro de la entrada — la solución permanente de diseño. La tasa de cizallamiento escala con 1/r³ (radio de la entrada al cubo), por lo que un pequeño aumento en el diámetro de la entrada produce una gran reducción en la tasa de cizallamiento. Aumentar una entrada submarina de 1,2 mm a 1,5 mm de diámetro reduce la tasa de cizallamiento en aproximadamente un 50 %.
3. Aumentar la temperatura de masa fundida (contraintuitivo pero correcto para el estriado por cizallamiento). Una masa fundida más caliente tiene menor viscosidad, lo que reduce la tensión de cizallamiento para una tasa de cizallamiento dada. Un aumento de 10–15 °C en la temperatura de masa fundida puede reducir la viscosidad en un 15–25 % y reducir el calentamiento por cizallamiento proporcionalmente. Esto es lo contrario de la acción correctiva para el estriado por degradación térmica — razón por la cual es crítico diagnosticar la causa raíz antes de ajustar los parámetros.
4. Cambiar el tipo de entrada. Una entrada submarina con su ángulo de entrada agudo concentra el cizallamiento. Reemplazarla por una entrada lateral de mayor sección transversal o una entrada en abanico para piezas anchas reduce tanto la tasa de cizallamiento máxima como el tiempo de exposición al cizallamiento.

Tipo 4: Estriado por aire atrapado — aire en el flujo de masa fundida

El estriado por aire atrapado ocurre cuando el aire es aspirado en el flujo de masa fundida durante la plastificación (rotación y recuperación del husillo) y es transportado a la cavidad con la masa fundida. A diferencia del estriado por humedad, que produce estrías blanco-plateadas, y el estriado por degradación, que produce estrías marrón-negras, el estriado por aire atrapado produce marcas plateadas irregulares, en parches, que no están ubicadas de manera consistente y no necesariamente irradian desde la entrada.

El aire puede entrar en el flujo de masa fundida por cuatro vías durante la plastificación:

1. Retroceso del husillo (pull-back/suck-back) demasiado rápido o demasiado grande. Después de que el husillo alcanza su tamaño de dosis, la mayoría de las máquinas aplican un pequeño retroceso del husillo (1–3 mm, a veces llamado descompresión o suck-back) para evitar el goteo en la boquilla. Si la distancia de retroceso es demasiado grande (>5 mm) o la velocidad es demasiado rápida, se aspira aire hacia la boquilla desde el lado del molde, y este aire se mezcla en la masa fundida del siguiente disparo durante el ciclo de plastificación subsiguiente.
2. Contrapresión insuficiente. La contrapresión durante la rotación del husillo compacta la masa fundida delante del husillo y fuerza el aire arrastrado hacia atrás a lo largo de los filetes del husillo para escapar a través de la tolva. Sin una contrapresión adecuada (típicamente 5–15 bar hidráulicos para materiales de uso general, 10–25 bar para materiales con carga), las burbujas de aire permanecen en la masa fundida y son transportadas hacia adelante al siguiente disparo.
3. Formación de puente en la tolva. Cuando los gránulos forman un puente en la garganta de la tolva — formando un arco que bloquea el flujo de material hacia el cilindro — el husillo se queda sin alimentación y se aspira aire hacia el cilindro a través de los huecos en los gránulos que forman el puente. El flujo intermitente de material produce una densidad de masa fundida inconsistente con bolsas de aire.
4. Diseño del husillo. Un husillo con una zona de compresión desgastada o una relación de compresión incorrecta para el material puede no compactar adecuadamente la masa fundida, dejando aire arrastrado en el flujo de masa fundida. Un husillo de uso general (relación de compresión 2,0–2,5:1) procesando un material semicristalino que requiere una relación de compresión de 2,5–3,5:1 puede producir estriado por atrapamiento de aire.

Confirmación diagnóstica: Observar la fase de recuperación del husillo. Un tiempo de plastificación inconsistente (±0,5 segundos o más) sugiere arrastre de aire o formación de puente en la tolva. Escuchar si hay un chirrido o silbido durante la rotación del husillo — es aire siendo forzado hacia atrás a través de los filetes del husillo. Comprobar la punta de la boquilla en busca de burbujas en la masa fundida durante una purga al aire: un disparo de purga que escupe, chasquea o muestra burbujas confirma aire en la masa fundida.

Acciones correctivas para el Tipo 4

1. Reducir la distancia de descompresión del husillo. Apuntar a 1–2 mm de retroceso — justo lo suficiente para aliviar la presión en la punta de la boquilla y evitar el goteo. Para materiales con viscosidad de masa fundida muy baja (PA6, PPS, LCP), usar 0,5–1,0 mm o eliminar la descompresión completamente y usar válvulas de cierre de boquilla en su lugar.

2. Aumentar la contrapresión. Comenzar a 10 bar y aumentar en incrementos de 5 bar hasta que el tiempo de plastificación se estabilice (consistente entre disparos dentro de ±0,2 segundos) y la purga al aire esté libre de burbujas. El compromiso es un aumento de la temperatura de masa fundida por el trabajo de cizallamiento adicional durante la plastificación — monitorizar la temperatura de masa fundida y ajustar el perfil de temperatura del cilindro si es necesario.

3. Comprobar la tolva y la garganta de alimentación. Asegurarse de que la tolva no tenga puentes (gránulos pegajosos, condiciones húmedas, acumulación de finos). Limpiar la garganta de alimentación — los finos de material y el polvo pueden acumularse y restringir el flujo de gránulos hacia el cilindro. Considerar un vibrador o agitador de tolva para materiales propensos a la formación de puentes (material triturado, polvo fino, regranulado).

4. Reducir las RPM del husillo. Una velocidad de husillo demasiado alta para el material puede arrastrar aire lanzando los gránulos lejos del husillo en lugar de introducirlos en los filetes. Las RPM máximas del husillo para un material dado son aproximadamente:

   RPM máx. = 15.000 / Diámetro del husillo (mm)

   Para un husillo de 50 mm: RPM máx. ≈ 300. Un husillo de 60 mm: RPM máx. ≈ 250. Funcionar por encima de esta velocidad conlleva riesgo de arrastre de aire independientemente de la contrapresión.

Tabla de diagnóstico: ¿Qué tipo de estriado es?

Usar esta tabla en secuencia: comprobar primero la humedad del material (la causa raíz más común), luego comprobar la apariencia del disparo al aire (distingue la degradación en el cilindro del arrastre de aire), luego ejecutar la prueba de reducción de velocidad de inyección (aísla el sobrecalentamiento por cizallamiento). La causa raíz es aquella cuya prueba diagnóstica produce una mejora significativa — si ninguna de las pruebas individuales elimina el estriado, pueden estar operando dos causas raíz simultáneamente.

El ingeniero de calidad de dispositivos médicos que comenzó con el estriado por humedad en el mango quirúrgico de PPSU finalmente localizó el problema en el material, no en el proceso. Una lectura del analizador de humedad del material en la garganta de alimentación mostró 0,05 % — muy por encima del máximo de 0,02 % para PPSU. El material en la tolva del secador se midió al 0,025 %, pero el material en la tolva de la máquina — tras caer a través de un tubo de transferencia no calefactado de 1,5 metros expuesto al aire ambiente a 28 °C y 78 % HR — captó un 0,025 % adicional de humedad en los 20 minutos entre el secador y la garganta de alimentación.

Las acciones correctivas: el tiempo de secado para ese lote se extendió a 8 horas para reducir la humedad del núcleo de los gránulos inusualmente húmedos; el tubo de transferencia no calefactado se reemplazó por un tubo aislado y sellado conectado directamente desde la salida del secador hasta la tolva de la máquina; y se añadió la prueba de humedad del material entrante al procedimiento de inspección de recepción — cada nuevo lote se prueba para determinar el contenido de humedad en la recepción, y cualquier lote con más del 0,05 % de humedad se marca para secado prolongado antes de su liberación a producción. El estriado no reapareció.

El estriado no es un defecto con una sola solución. Son cuatro defectos que comparten una firma visual similar. La habilidad diagnóstica consiste en saber cuál de las cuatro fuentes de gas está produciendo las estrías — porque secar material que ya está seco no sirve de nada, y bajar la temperatura de masa fundida para el estriado inducido por cizallamiento lo empeora. Diagnosticar primero, luego actuar.

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