Desarrollo de un entorno virtual para el aprendizaje activo de los fundamentos del moldeo por inyección de plástico



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DESARROLLO DE UN ENTORNO VIRTUAL PARA EL APRENDIZAJE ACTIVO DE LOS FUNDAMENTOS DEL MOLDEO POR INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Márquez, J.J. (1); Mtz. Muneta, M.L. (1); Rodríguez, M. (1); Pérez, J.M. (1)
(1) Dep. Ingeniería Mecánica y Fabricación
E.T.S. Ingenieros Industriales. Universidad Politécnica de Madrid (UPM)
C/ José Gutiérrez Abascal, 2, 28006 Madrid, España

jmarquez@etsii.upm.es


RESUMEN
El presente trabajo describe algunos aspectos sobre la aplicación desarrollada como resultado del proyecto de innovación educativa IE06 0525-049 de la UPM. Esta aplicación se presenta como alternativa para ampliar y reforzar la gama de recursos que el alumno dispone para adquirir conocimientos prácticos en inyección de plásticos, y así poder utilizarlos con éxito en el marco del diseño, selección y parametrización del proceso de inyección. Por medio del empleo de criterios de decisión borrosos, similares a los propios del conocimiento de un diseñador experto, y que resultan imposibles de plasmar en ecuaciones de comportamiento del proceso, se desarrolla una máquina virtual de inyección de plástico, y por tanto un sistema que permite evaluar, por ejemplo, la bondad de los parámetros de transformación elegidos para un proceso, dando como salida aquellas respuestas que proporcionaría un diseñador experto. Se ha desarrollado un panel de control virtual similar al de las máquinas de inyección reales operable por los estudiantes, cuya respuesta varía de acuerdo al modelo borroso incorporado y a los parámetros introducidos por el estudiante al utilizarlo. Esta máquina produce piezas virtuales inyectadas que muestran un nivel de defectos que es función de los valores de los parámetros seleccionados por el estudiante, permitiéndole una nueva selección de los mismos hasta la obtención de las piezas correctas facilitando así el aprendizaje de la selección de condiciones.
PALABRAS CLAVE: Moldeo por Inyección de Plásticos, Realidad Virtual, Sistema Experto.

ABSTRACT
The present work describes some aspects about the software developed as a result of the educational innovation project IE06 0525-049 of the UPM. This project represents a new alternative to improve the student resources to acquire practical knowledge, and to implement successfully the process parameterization in the plastic injection molding environment. Fuzzy decision criteria have been employed, as they are used by the real expert in the process design task, in order to develop a Virtual Injection Molding Machine which allows testing the process parameters. A virtual desk, as similar as possible to real Injection units, has been developed. The desk is easily operated by students. The system response relies on a fuzzy events database experimentally generated. The virtual machine produces a virtual part on which a qualitative defect analysis is carried out. Students must introduce a first combination of process parameters, and running further iterations they should reduce or eliminate completely part defects.
KEYWORDS: Plastic Injection Molding, Virtual Reality, Expert System.

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INTRODUCCIÓN
El empleo de simuladores en el ámbito de la formación es cada vez mas frecuente. Los primeros en desarrollarse fueron los grandes centros de entrenamiento para aviones, aplicaciones militares, o vehículos, con los que las empresas podían formar a su personal en las incidencias y habilidades necesarias en el desarrollo de la actividad encomendada. Estos elementos se han ido popularizando de forma progresiva con la disminución de los costes y el aumento de la potencia y complejidad del hardware y software. En los estudios asociados a los procesos de fabricación, se han llevado a cabo experiencias más amplias donde los alumnos controlan todos los factores del proceso productivo [ 0 ], [ 0 ]. Otras experiencias similares se han realizado en la Universidad de Washington [ 0 ]. Shah [ 0 ], describe una simulación realista de diseño colaborativo consistente en crear un producto desde la base a lo largo de un curso académico. En la Universidad de Siracusa [ 0 ] se realiza un curso donde los estudiantes de fabricación seriada elaboran un producto proporcionado por el profesor. Simpson [ 0 ], propone comparar la producción manual y la producción en serie en un curso utilizando aviones de papel. En el ámbito de la formación dirigida a personal técnico en el área de los procesos de transformación de plástico, habitualmente se presenta la dificultad de transmitir una parte del conocimiento fuertemente basado en la experiencia de las personas que llevan a cabo este tipo de procesos, lo cual suele representar muchas horas de trabajo descriptivo poco eficaz [ 0 ].
El presente trabajo se orienta a la generación y utilización de una herramienta informática optimizada para la consecución de la puesta en práctica de la selección de condiciones de trabajo de forma sencilla, rápida y económica. Existen en este contexto algunas aplicaciones informáticas que abordan parcialmente o de manera colateral este problema. El programa PICAT® [ 0 ], es un sistema que permite simular y modificar los parámetros de inyección de una pieza para estudiar sus posibles defectos. El programa trabaja sobre cuatro piezas tipo, de geometría muy sencilla y poco realista, y está basado en los defectos, y por tanto orientado a completar la formación de personas ya experimentadas en este entorno, por lo que resulta de escasa o nula aplicación en el ámbito de la formación dirigida a técnicos noveles en este campo. Por otro lado, descarta problemas de cierto interés para el inyector de plástico tales como el tamaño de la máquina y el número de cavidades, muy importantes en el planteamiento inicial de la producción de una serie de piezas, y también deja aparte aspectos relacionados con la geometría del molde que son de interés para el proceso.
También existen aplicaciones de simulación numérica orientadas generalmente a asistir en las tareas de diseño de la geometría final de la pieza y del molde de fabricación, tales como Moldflow® [ 0 ]. Estos programas tienen en común su fuerte contenido matemático orientado a la simulación del flujo plástico durante la transformación, que de manera complementaria permiten analizar defectos debidos a deformaciones, contracciones, etc. Sin embargo presentan gran dificultad, tiempo de aprendizaje, y sobre todo es de destacar la dificultad que entraña la correcta interpretación de los resultados que proporcionan, teniendo en cuenta que generalmente se requiere de un análisis crítico y especializado que sólo se alcanza con el estudio y la experiencia en el proceso analizado. El resultado es que únicamente personal altamente cualificado y entrenado obtiene conclusiones acertadas de su utilización, y por consiguiente los convierte en aplicaciones poco orientadas a la enseñanza de noveles.
En este trabajo se describe una nueva aproximación a este problema con el ánimo de resolver los problemas básicos que se plantean a la hora de formar técnicos noveles en procesos de transformación de plásticos y más concretamente en inyección de termoplásticos.
METODOLOGÍA EMPLEADA
Dejando aparte los problemas en el diseño y fabricación del útil de moldeo, los problemas básicos a resolver en el proceso de inyección de termoplásticos por la empresa que realiza la transformación pueden establecerse de la siguiente manera:


  1. Problemas Técnico-Económicos en la definición preliminar del molde.

  2. Problemas derivados de la selección de maquinaria disponible.

  3. Problemas de parametrización del ciclo de inyección.

La empresa cliente final (sector de automoción, aerospacial, etc.) define las características geométricas y de materiales de las piezas a inyectar, así como el tamaño de la serie. Con estos datos, la empresa transformadora debe elaborar un plan de producción que permita obtener la máxima calidad geométrica y visual al menor coste posible, teniendo en cuenta su disponibilidad de personal y maquinaria, y sus costes operativos. Las primeras decisiones son de tipo técnico-económico, tales como número de cavidades del molde, tipo de molde, tipo de colada, etc. (para la viabilidad económica). En segundo lugar se selecciona la maquinaria para llevar a cabo la transformación (viabilidad técnica), para después definir lo que se conoce como parametrización del ciclo: temperaturas, tiempos, presión y velocidad de inyección (que normalmente afecta directamente a la calidad de las piezas inyectadas). Finalmente con estos datos del ciclo, en un molde concreto puede llevarse a cabo una estimación real de los tiempos, costes y defectos de producción derivados, lo que permite a esta empresa establecer el precio final ofertado.


Este procedimiento de toma de decisiones que engloba tanto criterios económicos como técnicos resulta difícil de transmitir de forma completa e integrada al alumno, teniendo en cuenta, además, que dentro de este sector, las diferentes tareas no son llevadas a cabo por una única empresa sino por otras subcontratadas. Por otro lado, las decisiones que se toman, en gran medida, son llevadas a cabo por personal especializado con años de experiencia. La metodología planteada y el programa desarrollado aquí presentado, pretenden ser una importante ayuda para que un alumno recientemente iniciado en el proceso de inyección de termoplásticos pueda dar respuesta a estos problemas de una manera razonada, eficaz y ordenada.
La secuencia de trabajo definida para llevar a cabo la toma de decisiones descrita puede establecerse de la siguiente forma:


  1. Primera estimación del número de cavidades del molde.

  2. Estimación de los límites técnicos del número de cavidades, en cuanto a capacidad de plastificación, capacidad de inyección y fuerza de cierre en la máquina.

  3. Selección de la maquinaria más adecuada de entre la disponible.

  4. Definición de los parámetros del ciclo.

  5. Estimación de la calidad de las piezas inyectadas.

  6. Optimización del tiempo de ciclo.

  7. Optimización del número de cavidades.

Para llevar cabo estas tareas se ha desarrollado un sistema experto con un motor de decisión que va permitir mediante un proceso iterativo, llevar a cabo la optimización descrita en los puntos 6 y 7.


La primera estimación del número de cavidades del molde puede realizarse teniendo en cuenta las siguientes expresiones.
(1)
La ecuación (1) representa el coste total de una serie de piezas, sin tener en cuenta el coste del material, y permite obtener una recomendación inicial para el número de cavidades más económico según unas estimaciones concretas de costes horarios de maquinaria, operario, tiempo de ciclo, tamaño del lote y coste del molde. Normalmente y ante los tamaños de lote habituales en productos de consumo de plástico, la evolución suele ser la representada en la Figura 1, de manera que puede observarse la aparición de un mínimo para un determinado número de cavidades.

Figura 1.- Coste unitario frente al número de cavidades del molde.


Este número económico permite establecer una base de comparación en cuanto a las prestaciones de la maquinaria empleada en el proceso de transformación. De manera que las ecuaciones:
(2)
(3)
(4)
Que expresan los números máximos teóricos de cavidades con respecto a las prestaciones de la maquinaria empleada atendiendo a: capacidad de plastificación (2), capacidad de inyección (3), y fuerza de cierre (4). Lo que permite hacer una primera selección del número de cavidades más apropiado para el molde, y con ello la selección de la maquinaria más apropiada al proceso concreto.
El siguiente paso es establecer los parámetros del ciclo más adecuados para obtener la calidad objetivo en las piezas inyectadas. Los parámetros representativos del ciclo de inyección seleccionado fueron (Tabla 1):

Tabla 1. Parámetros del ciclo de inyección



T1

Temperatura de plastificación 1

T2

Temperatura de plastificación 2

T3

Temperatura de plastificación 3

T4

Temperatura en cámara

T5

Temperatura en boquilla

t1

Tiempo de inyección

t2

Tiempo de mantenimiento de presión

t3

Tiempo de apertura

t4

Tiempo de expulsión

t5

Tiempo de cierre

Pi

Presión de inyección

Vi

Velocidad de inyección

Pp

Programa pieza

Se han elegido estos parámetros por ser los más habituales en los menús de configuración del ciclo de las máquinas inyectoras comercialmente disponibles. Para realizar una estimación de la calidad de las piezas inyectadas se ha desarrollado un motor de inferencia basado en un algoritmo de decisión elaborado a partir de la experiencia recogida en procesos reales y simulados de inyección, que va a permitir inferir, en base a los parámetros del ciclo aportados, la presencia o no de defectos de inyección por causa de estos.


Se ha seleccionado un grupo simple de defectos de todos los posibles descritos en los ensayos y en la bibliografía existente, escogiendo únicamente aquellos directamente dependientes de los parámetros del ciclo típicamente ajustables sobre la máquina inyectora, y dejando fuera aquellos defectos derivados de otras causas ajenas al proceso de transformación tales como los derivados fundamentalmente del diseño incorrecto de las piezas (rechupes, líneas de soldadura, etc.) o aquellos derivados del diseño incorrecto del molde (oclusiones de aire, punto de inyección, etc.). En la Tabla 2 se muestran los defectos seleccionados como representativos y directamente relacionados con los parámetros del ciclo de inyección.
Tabla 2.- Jerarquía de defectos considerada


1

Temperatura fuera de Rango

2

Llenado Incompleto

3

Exfoliación

4

Cambio Forma-Alabeo

5

Marcas de Expulsores

6

Marcas de Quemado

7

Decoloración

Por otro lado se han establecido unos criterios borrosos de decisión que permiten establecer una correspondencia entre los parámetros del ciclo y los defectos provocados, de manera que pueda establecerse un nivel de intensidad o grado del defecto que varía entre 1 (grado más leve) y 4 (grado más grave de aparición). La Tabla 3 muestra los defectos inferidos por el motor ante parámetros críticos aislados o combinaciones de los mismos.


Tabla 3.- Matriz inferida con ciertos parámetros o combinaciones





Defectos inferidos

Parámetro Controlado

2

3

4

5

6

7

T1 a T5 +

0

2

0

0

1

2

T5 -

1

0

0

0

0

0

t1 -

2

2

1

0

0

0

t1 --

4

4

4

0

0

0

t2 -

0

1

1

1

0

0

t2 --

0

4

4

4

0

0

t2 ++

0

0

0

0

0

1

pi -

0

1

1

0

0

0

pi --

3

4

4

0

0

0

pi ++

0

0

0

0

0

0

vi -

2

0

0

0

0

0

vi +

0

1

1

0

0

0

T5 - t1 -

4

4

4

0

0

0

t1 - t2 - pi -

4

4

4

1

0

0

T2 + pi -

0

0

0

0

1

0

t1 + t2 - pi - vi +

2

4

4

1

0

0

T1 a T5 + t2+

0

2

0

0

1

4

Códigos de defectos

2 Llenado Incompleto




3 Exfoliación




4 Cambio de Forma-Alabeo




5 Marcas de Expulsores




6 Marcas de Quemado




7 Decoloración

El proceso descrito hasta ahora permite que de forma iterativa se llegue a estimaciones realistas de los parámetros del ciclo para obtener piezas con ausencia de defectos, así como obtener una estimación realista del tiempo de ciclo, que permitirá a su vez optimizar también el número de cavidades económico del molde.


Para poder aplicar la metodología desarrollada y ser empleada por los alumnos, se ha desarrollado una aplicación informática que se describe a continuación.
PROGRAMA DESARROLLADO
El programa se ha desarrollado en un entorno visual de programación que permite la incorporación de representaciones tridimensionales, que muestran al alumno una máquina virtual que en su manejo recuerda la operativa de máquinas reales comercialmente disponibles. El manejo del programa se establece desde la ventana principal que puede observarse en la Figura 2.

Figura 2.- Ventana principal de la aplicación


Desde esta ventana el alumno tiene acceso a las diferentes partes del programa que pueden resumirse en:


  1. Entorno virtual de entrada de datos.

  2. Motor de estimación de la calidad de las piezas inyectadas.

  3. Visualización de defectos.

  4. Análisis técnico-económico del número de cavidades.

En la Figura 3 puede observarse la primera ventana del entorno Inyectora Virtual desarrollado. Se decidió establecer una serie de piezas de diferentes tamaños y materiales para llevar a cabo el análisis de definición de parámetros del ciclo, de manera que el alumno selecciona a partir de la geometría escogida, el material y los límites de trabajo de los parámetros del ciclo, y puede observar en todo momento una representación visual tridimensional de la pieza seleccionada.



Figura 3.- Pantalla de selección de pieza
Una vez seleccionada la pieza y la máquina donde realizarla, el alumno entra en un entorno virtual (Figura 4) que le muestra una visualización 3D con la máquina y su cuadro de interfase que le permite realizar los movimientos típicos de la máquina en vacío, y también en modo automático, y parametrizar el ciclo que posteriormente le permitirá hacer el análisis de defectos de inyección.

Figura 4.- Máquina virtual desarrollada y cuadro de interfase


Un vez elegidos los parámetros del ciclo, se procede a realizar el análisis en el motor de inferencia de defectos, el cual genera una salida que puede visualizarse para comprobar cuál es el defecto generado (Figura 5).








(a)

(c)

(d)

Figura 5.- Defectos simulados


(a) pieza correcta, (c) llenado incompleto, (d) defectos de expulsión.
Por último en la Figura 6, se muestra la pantalla que permite realizar el análisis técnico-económico del número de cavidades recomendado para el molde. Esta pantalla resulta de gran ayuda para establecer las dimensiones reales del molde, más adecuadas desde el punto de vista económico, así como el tamaño de la máquina inyectora idóneo para llevar a cabo el proceso de transformación.

Figura 6.- Análisis técnico-económico del proceso


CONCLUSIONES
En el presente trabajo se ha establecido una metodología de trabajo, que permite a alumnos noveles, en proceso de formación en el área de moldeo por inyección de plástico, llevar a cabo el estudio de viabilidad técnico-económica del proceso, así como establecer los parámetros del ciclo más adecuados para obtener la máxima calidad en las piezas inyectadas: La metodología se basa en un motor de inferencia desarrollado según criterios de lógica borrosa, y se ha desarrollado mediante la programación de una aplicación informática con soporte gráfico 3D que facilita el aprendizaje de los conocimientos objetivo, y establece una importante base para desarrollar otras aplicaciones de optimización del proceso de inyección de termoplásticos.
AGRADECIMIENTOS

El proyecto ha sido íntegramente financiado con fondos del Vicerrectorado de Ordenación Académica y Planificación Estratégica de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) dentro del Proyecto de Innovación Educativa IE06 0525-049.



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[ 0 ] Polymer Training Limited PTL (PICAT). Halesfield 7 Telford. Shropshire TF7 4NA. United Kingdom. http://www.ptlonline.org.uk/home.htm

[ 0 ] Moldflow Corporation. 492 Old Connecticut Path, Suite 401. Framingham, MA 01701 USA. http://www.moldflow.com/stp/
NOMENCLATURA
C Coste total de la serie producida

Chm Coste horario de la máquina inyectora

Cho Coste horario de personal

tciclo Tiempo del ciclo de inyección

Lote Tamaño de la serie producida

Cmolde Coste del molde

Cp Capacidad de plastificación de la máquina inyectora

Ppieza Peso de la pieza inyectada

Pmaz/canal Peso de la mazarota y los canales de alimentación del molde

Ci Capacidad de inyección de la máquina inyectora

Vpieza Volumen de la pieza

Vmaz/canal Volumen de la mazarota y de los canales de alimentación

Fcierre Fuerza de cierre de la máquina

Pcierre Presión de cierre de la máquina



Sproy/pieza Superficie proyectada de pieza

Sproy/maz/canal Superficie proyectada de mazarota y canales de alimentación


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