Medtech: los sensores de presión de cavidades en miniatura garantizan la calidad en el moldeo por inyección de plásticos

La medición directa se ha convertido en el patrón oro para la medición precisa de la presión de cavidades en el moldeo por inyección, donde la más mínima desviación de la norma puede dar lugar a productos de calidad inferior e incluso inseguros. Especialmente las industrias altamente reguladas, como la de tecnología médica, se benefician de la supervisión de la calidad del producto para descartar automáticamente las piezas defectuosas y, en última instancia, optimizar los procesos. Sin embargo, los sensores de presión de cavidad directa entran en contacto inmediato con la masa fundida en la cavidad, lo que puede tener un impacto negativo en la longevidad de los sensores o incluso dañarlos. El especialista en medición Kistler ha puesto en el mercado una nueva solución que evita este problema en el moldeo por inyección: la medición sin contacto. En este caso, los sensores piezoeléctricos miden la tensión que la masa fundida inyectada ejerce sobre las paredes del molde en lugar de la presión en la cavidad, evitando así el contacto con la masa fundida. Esta tecnología genera valores precisos y reproducibles y es especialmente adecuada para garantizar la calidad de superficies de grado A, piezas médicas como lentes o materiales de baja viscosidad como la silicona líquida.

El uso de sensores avanzados de presión en la cavidad y el software correspondiente permite a los moldeadores por inyección medir la presión en la cavidad durante todo el proceso de producción. Tomando un producto ideal, pueden utilizar la curva de medición de su producción como referencia de calidad con la que se miden todos los procesos futuros. Además, los moldeadores por inyección pueden optimizar sus procesos de producción basándose en las desviaciones de la curva de medición objetivo. En la medición directa, los sensores y los cables se instalan directamente en la pared del molde (véase la figura 1). La punta del sensor se nivela con la pared, de modo que la masa fundida de plástico inyectada entra en contacto directo con el sensor. El sensor puede entonces medir los valores absolutos de presión de la cavidad y compararlos con la curva ideal. Aunque esta tecnología aún no tiene parangón en cuanto a precisión, presenta algunas desventajas: por ejemplo, el sensor deja una pequeña marca en cada pieza de plástico fabricada. Aunque esta marca es mínima, sobre todo cuando se utilizan sensores en miniatura, puede ser un problema en productos de alta precisión como las lentes. Además, el contacto directo del sensor de presión de la cavidad con el plástico fundido al medir directamente la presión de la cavidad lo hace susceptible a la contaminación. En consecuencia, el estado del sensor debe vigilarse estrechamente y puede requerir un mantenimiento y una sustitución frecuentes, especialmente con el uso de determinados materiales.

Aparte de la medición directa, algunas empresas de tecnología médica también utilizan sensores indirectos para medir la presión de la cavidad en el moldeo por inyección. A diferencia de los sensores directos, pueden instalarse posteriormente en el molde, ya que se colocan detrás de los pasadores eyectores (véase la figura 2). Sin embargo, esto también los hace vulnerables a errores, por ejemplo, si el orificio de montaje no encaja perfectamente, ya sea demasiado pequeño o demasiado grande para el pasador eyector. También pueden sufrir el impacto de los gases emitidos por el plástico fundido. Las masas fundidas de baja viscosidad, como la silicona líquida, pueden incluso fluir hacia el orificio del pasador eyector.
 

Sensores de presión de cavidad sin contacto: una alternativa fiable a las tecnologías directa e indirecta en el moldeo por inyección

Con estos métodos en mente, Kistler empezó a trabajar en una alternativa de medición que proporcionara una medición precisa y reproducible pero que evitara desventajas como un impacto negativo en los sensores durante el proceso de moldeo por inyección. El equipo de desarrollo dio con un procedimiento que evita por completo el contacto de la masa fundida con los sensores de presión de la cavidad, ya que mide la tensión que la presión de la masa fundida ejerce sobre las paredes metálicas del molde. La característica más destacable: aunque este método de medición sin contacto no mide los valores absolutos de presión de la cavidad, permite a los moldeadores por inyección sacar conclusiones precisas sobre ellos. La medición de la deformación da como resultado una curva de medición muy similar a la de otros métodos de medición. Y lo que es aún más importante: la medición de la deformación da lugar a curvas reproducibles, cumpliendo así un requisito esencial de la garantía de calidad y las directrices normativas.

La principal ventaja de la medición de la presión en cavidades sin contacto frente a la tecnología de medición directa reside en su posicionamiento: como los sensores no tienen que estar en contacto directo con el plástico fundido, pueden colocarse de dos a cuatro milímetros detrás de la pared de la cavidad (véase la figura 3). Por consiguiente, no dejan ninguna huella en el producto fabricado, lo que convierte a esta tecnología en la primera opción para la producción de superficies de grado A o productos de alta precisión como lentes, en los que incluso la huella más pequeña puede afectar a la calidad del producto. Colocados detrás de la pared, estos sensores de presión de cavidad especiales, o clavijas de medición longitudinal en miniatura, están protegidos de la masa fundida de plástico y de influencias adicionales como gases o incluso suciedad exterior. Esto reduce al mínimo las tareas de mantenimiento. Los sensores pueden desmontarse fácilmente para su mantenimiento. También son fáciles de instalar, ya que disponen de más puntos potenciales en el molde: Pueden colocarse independientemente de la dirección de desmoldeo y no necesitan espacio cerca de la cavidad. Sólo requieren un orificio de montaje en el que se coloca el sensor y se ajusta con una precarga predefinida.

Encontrar la ubicación perfecta de los sensores de presión de cavidad con un análisis de elementos finitos

Además, Kistler ayuda a sus clientes a encontrar el lugar perfecto mediante un análisis de elementos finitos (FEA). Esto ayuda a los clientes a encontrar un lugar adecuado para sus sensores y evaluar a qué distancia máxima de la pared del molde se puede colocar el sensor sin dejar de proporcionar mediciones precisas. Para el FEA, los clientes envían un modelo CAD en 3D que muestra dónde quieren colocar el sensor. A continuación, el equipo de Kistler calcula cuál será la sensibilidad real del sensor de presión de cavidades en esa posición mediante un análisis de elementos finitos (véase la figura 4), teniendo en cuenta tanto la deformación del metal como las fuerzas laterales. Su informe muestra si la posición elegida permitirá al sensor medir con precisión la presión de la cavidad o sugiere ubicaciones alternativas, en caso contrario. 

Sensor en miniatura (perno de medición longitudinal) para aplicaciones de moldeo por inyección en tecnología médica

Los sensores de Kistler ya se han utilizado para medir la deformación en otras aplicaciones, como el mecanizado, donde los sensores de deformación se utilizan para medir fuerzas dinámicas o cuasistáticas en piezas de máquinas fijas o móviles. Al desarrollar el primer sensor de deformación para moldeo por inyección, el tipo 9247A, Kistler pudo aprovechar su experiencia en estas aplicaciones, así como sus amplios conocimientos sobre la medición de la presión en cavidades. Con una circunferencia de 4,4 milímetros, el sensor 9247A es adecuado para la fabricación de piezas de plástico más grandes y se ha utilizado en el moldeo por inyección tanto en la industria cosmética como en la automovilística desde 2010. Centrándose en las aplicaciones de la tecnología médica en particular, Kistler buscó entonces desarrollar un sensor aún más pequeño adecuado para los moldes compactos utilizados para productos como lentes, jeringas y EpiPens. 

Como resultado, Kistler lanzó la primera versión de un pasador piezoeléctrico de medición longitudinal en miniatura en 2018 y una versión actualizada, el pasador longitudinal en miniatura 9239B, en otoño de 2022. Con una circunferencia de tan solo 2,5 milímetros, este sensor de presión de cavidad modificado puede utilizarse en moldes pequeños o con espacio limitado. Una diferencia significativa entre las dos versiones del sensor es el cristal: mientras que la versión anterior del sensor utilizaba un cristal de cuarzo, la nueva versión cuenta ahora con un cristal PiezoStar cultivado específicamente por Kistler. Esta actualización aumenta la sensibilidad del sensor de 5,9 picoculombios por Newton (pC/N) a 27 picoculombios por Newton (pC/N). Esto permite al sensor medir señales más débiles de forma fiable y precisa.

Garantía de calidad: el camino hacia la medición de la presión de cavidad sin contacto en el moldeo por inyección

La medición de la presión en cavidades sin contacto mediante sensores piezoeléctricos longitudinales ofrece tres ventajas principales: no deja marcas en la superficie de los productos fabricados, es precisa y requiere poco mantenimiento. Se trata de una gran noticia para el aseguramiento de la calidad en el sector de la tecnología médica, en el que las empresas fabricantes necesitan sistemas de medición de cavidades y supervisión de procesos altamente fiables en el moldeo por inyección, no sólo para fabricar productos de alta calidad, sino también para cumplir los requisitos normativos de aseguramiento de la calidad, como las GMP en EE.UU. y las normas MDR en Europa. Dentro de la compleja producción de dispositivos médicos, tanto la medición directa como la medición sin contacto de la presión en la cavidad pueden satisfacer diferentes demandas. Por ejemplo, los fabricantes pueden utilizar sensores de presión de cavidades sin contacto para productos de alta precisión y casos en los que es esencial moldear una superficie perfecta, mientras siguen confiando en la tecnología de medición directa en casos en los que las pequeñas marcas que quedan en el producto no afectan a su calidad.