¿Qué es el Rotomoldeo?

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por Roy J. Crawford, Universidad de Waikato, Nueva Zelanda, y Susan Gibson, JSJ Productions, Inc.

El rotomoldeo es un método para producir piezas huecas de plástico. Este método se asocia a la manufactura de tanques, pero muchos diseñadores alrededor del mundo usan esta tecnología para hacer diferentes piezas de plástico. Algunos segmentos de mercado a los que se dirigen sus productos son el médico, de consumo, agrónomo, jardines y exteriores, componentes automotrices y de transporte, juguetes, artículos de recreación, equipo deportivo, muebles, productos para manejar materiales, así como productos complejos y estilizados.

La industria del rotomoldeo ofrece grandes oportunidades para los diseñadores y consumidores finales. En las últimas décadas, ha habido una serie de avances técnicos significativos, lo que ha dado lugar a nuevas máquinas, moldes y materiales en el mercado. Están emergiendo nuevos e importantes nichos de mercado, ya que los rotomoldeadores están siendo capaces de producir piezas de gran calidad y alto desempeño a precios competitivos. De los procesos de manufactura disponibles para los diseñadores, el rotomoldeo se puede considerar ahora como uno de los principales procesos, junto con el soplado, termoformado e inyección.

Este artículo muestra de forma general las principales características del rotomoldeo. Describe la naturaleza básica del proceso y le da al lector una introducción a algunas de las características que se deben de tener en cuenta a la hora de diseñar piezas plásticas para rotomoldearse. Al final del artículo podrá encontrar una bibliografía detallada para saber más acerca del rotomoldeo.

El Proceso

El principio básico del rotomoldeo es relativamente sencillo. En realidad, la simplicidad del proceso es la clave de su éxito, ya que permite al fabricante tener un control sobre las dimensiones de la pieza y sus propiedades. Básicamente, el rotomoldeo consiste en introducir una cantidad determinada de resina plástica en polvo, granulada o líquida en un molde hueco en forma de cascaron. El molde se calienta mientras gira simultáneamente en dos ejes para que el plástico que está dentro se adhiera y forme una capa sobre la superficie interna del molde. El molde continúa girando durante la fase de enfriamiento para que el plástico mantenga la forma deseada mientras se solidifica. Una vez que el plástico esté lo suficientemente rígido, el molde deja de girar para poder sacar la pieza del molde. El proceso se diferencia de otros procesos que giran a altas velocidades y usan fuerza centrífuga por la baja velocidad de su rotación, regularmente de 4 – 20 revs/min.

Los principales pasos del proceso: (a) carga del molde, (b) calentamiento del molde, (c) enfriamiento del molde, y (d) extracción de la pieza, se muestran en la figura 1. Este diagrama es sólo para efectos ilustrativos. En realidad, existen muchos tipos de máquinas para rotomoldeo, comerciales y hechas a la media. La mayoría de las máquinas en el mercado son de “carrusel”. En estas máquinas, el o los moldes se montan en un brazo que hace girar los moldes de forma biaxial y los transporta continuamente a lo largo de la zona de calentamiento, enfriamiento y finalmente la zona de carga/descarga. Generalmente se usan tres brazos con un juego de moldes cada uno para que cada brazo esté en una estación trabajando simultáneamente. En algunos casos, los brazos se fijan entre sí con espacios de 120°. En los diseños más recientes, los brazos se pueden mover de manera independiente entre ellos para que, por ejemplo, los moldes que están en el área de calentamiento se puedan sacar del horno en caso de que la cocción del plástico esté lista antes de que el proceso de enfriamiento del brazo precedente haya terminado.

En el otro tipo de máquina comúnmente usado, el molde sigue un movimiento de “Rock and Roll” – lo que significa una rotación de 360˚ en un eje y un movimiento de balanceo en un eje perpendicular.

En ambos tipos de máquina existen muchas permutaciones en las secuencias de calentamiento, enfriamiento y carga/descarga del molde. También se utilizan métodos conductivos, inductivos y dieléctricos para calendar el molde.

Características del Moldeo Rotacional

El moldeo rotacional es un proceso que produce piezas prácticamente sin esfuerzos, ya que sólo interviene la presión atmosférica. El hecho de no haber esfuerzos en la resina fundida mientras se le da la forma es una de las mayores ventajas que tiene el rotomoldeo sobre todos los procesos de fabricación de piezas plásticas. Además, como no hay ninguna fuerza sobre el plástico mientras se forma, los moldes para rotomoldeo pueden tener paredes delgadas y son relativamente baratos de fabricar. Para piezas simples, la entrega de un molde puede ir de algunos días a algunas semanas. Las máquinas modernas de varios brazos permiten trabajar con múltiples moldes de diferentes tamaños y formas a la vez. Con un adecuado diseño de molde, se pueden rotomoldear piezas complejas, como lo son los contenedores de doble pared, que son difíciles o imposibles de hacer con cualquier otro método. Con un correcto control del proceso, el espesor de las paredes de las piezas rotomoldeadas es bastante uniforme, contrario al soplado o termoformado. Y a diferencia de estos procesos, el rotomoldeo no tiene costuras o soldaduras que tengan que ser retocadas para obtener el producto terminado. Las principales características del rotomoldeo son:

  • Se pueden hacer piezas huecas de una sola pieza sin soldaduras o juntas
  • La pieza prácticamente no tiene esfuerzos
  • Los moldes son relativamente económicos
  • El tiempo de manufactura de un molde es relativamente corto
  • El espesor de la pared puede ser bastante uniforme (comparado con otros procesos donde se puede modificar el espesor de la pared, como el proceso de soplado)
  • La distribución del espesor de la pieza se puede modificar sin tener que hacer modificaciones al molde
  • Corridas de producción cortas son económicamente viables
  • No existe desperdicio de material ya que la carga vaciada en el molde se consume en su totalidad al hacer la pieza
  • Es posible hacer productos con varias capas, incluyendo piezas con espumante
  • Se pueden hacer diferentes tipos de productos en la misma máquina
  • Los insertos son relativamente fáciles de moldear en la pieza
  • Se pueden moldear gráficos de alta calidad en la pieza

Las principales limitaciones del rotomoldeo son:

  • Los tiempos de producción son largos
  • Al día de hoy las opciones de materiales para usar son limitadas
  • Los costos de material son relativamente altos debido a la necesidad de aditivos especiales y a que el material debe estar pulverizado
  • Algunas formas (como las costillas) son difíciles de moldear

Tabla 1: compara las características de los diferentes procesos con los que se pueden producir piezas huecas de plástico. Table 1

Áreas de Aplicación

Hoy en día las piezas rotomoldeadas se utilizan en prácticamente todos los mercados que utilizan piezas de plástico. Esto incluye sectores de alta tecnología como la industria aeronáutica. El proceso mejor se adecua para la manufactura de productos huecos de una sola pieza o contenedores abiertos de doble pared. Se pueden hacer operaciones secundarias para partir las piezas o recortar paneles para poder crear todo tipo de contenedores abiertos y productos de una sola pared. Las áreas a recortar pueden aislarse del calor durante el proceso de moldeo para que la capa de plástico sea lo más delgada posible y haya muy poco desperdicio a la hora de hacer el recorte. La tabla 2 da ejemplos de productos comúnmente rotomoldeados. Se puede ver que la variedad de productos es impresionante y aunque el polietileno es el principal material en la mayoría de los casos, se pueden obtener piezas estructurales de alto desempeño utilizando técnicas como los “kiss-off” (puntos de contacto) entre las dobles paredes de las piezas huecas.

Algunos ejemplos de piezas rotomoldeadas se muestran en las figuras (a-i). La mayoría de las piezas tienen una alta calidad de acabado y muy poca tolerancia. Estos productos son todos piezas tridimensionales complejas hechas de una sola pieza. El espumado es también muy común en las piezas rotomoldeadas para proveer aislamiento térmico o alta rigidez con un peso mínimo. Table 2

Materiales

Casi todos los productos manufacturados por rotomoldeo se hacen con termoplásticos, aunque también se pueden usar materiales termofijos. Las poliolefinas (principalmente polietilenos) dominan el mercado de piezas rotomoldeadas. Existen varias razones para justificar esta situación. Una es que este material se puede pulverizar fácilmente, lo que es muy conveniente para el rotomoldeo. Otra es que el polietileno se mantiene más estable que otros plásticos durante el periodo de calentamiento, que es relativamente largo. Actualmente, el polietileno, en sus diversas formas, representa entre el 85% y 95% del total de polímeros rotomoldeados. El resto lo conforman los plastisoles de PVC, el policarbonato, nilón, polipropileno, poliésteres no saturados, ABS, acrílicos, celulósicos, epóxicos, fluorocarbonos, fenólicos, polibutilenos, poliestirenos, poliuretanos y silicones.

Los consumos de estos materiales se muestran en la figura 3. Los materiales de alto desempeño como el nilón de fibra reforzada y PEEK tienen potencial para usarse en esta tecnología pero representan una muy pequeña fracción de la producción en la industria.

Moldes

Los moldes usados en el rotomoldeo son en forma de concha. Normalmente se hacen en dos mitades, aunque hay piezas más complejas pueden requerir que los moldes se separen en tres o más partes. Los moldes se cierran con sujetadores a lo largo de la línea de partición. El molde casi siempre tiene un tubo de venteo (“respirador”) para asegurar la ecualización de la presión entre la parte interna de la pieza rotomoldeada y el ambiente exterior. El posicionamiento del tubo de venteo depende de la pieza – por ejemplo, el puerto de llenado de un tanque es ideal para colocar el venteo.

Los materiales más comunes para fabricar los moldes son el aluminio fundido y la lámina negra. Este último se recomienda para piezas grandes, como los tanques, mientras que el aluminio se usa para piezas más pequeñas que contienen detalles complejos o cuando se necesitan varios moldes idénticos. También se usan moldes electroformados o de níquel, particularmente para piezas de PVC. En años recientes, el uso de moldes maquinados con CNC se ha hecho más común, lo que ha tenido como resultado grandes mejoras en la calidad del molde, particularmente en la línea de partición. Los moldes son sometidos a esfuerzos térmicos muy altos ya que regularmente tienen ciclos que van de temperatura ambiente a más de 300˚C (más de 600˚F), y el análisis de elemento finito de los moldes CNC asegura que se puede obtener un alto desempeño por periodos largos de tiempo. En caso de que se requiera algo de presión dentro del molde, se puede conseguir más fácil con aquellos que fueron diseñados por computadora. La automatización de la apertura y llenado del molde también reduce la duración del ciclo y mejora la consistencia de la pieza moldeada.

En las últimas máquinas ‘Leonardo’ desarrolladas en Italia, el molde y la máquina son una sola unidad. Esto permite un control muy preciso sobre la rotación del molde, así como de la temperatura y la presión dentro del molde.

Guía para el Diseño

La naturaleza del rotomoldeo crea unos efectos especiales que no se ven en otros procesos de manufactura para piezas plásticas. Las esquinas exteriores de las piezas rotomoldeadas son generalmente más gruesas que el espesor de pared en el resto de la pieza porque la resina se acumula en las esquinas del molde. Por el otro lado, las esquinas internas son generalmente más delgadas porque la resina se cae del molde en estas áreas. Los radios generalmente recomendados para las esquinas internas y externas se ilustran en la figura 4. La regla general para las esquinas interiores y exteriores es que a mayor radio, mayor será la uniformidad del espesor de pared.

El rotomoldeo, como el soplado y el termoformado, es un método donde el espesor de pared se puede ajustar. Pueden existir variaciones en el espesor de pared en el rotomoldeo, pero se puede tener un estricto control sobre el grosor modificando las velocidades del eje mayor y menor. Además, algunas áreas del molde se pueden aislar del calor para reducir la acumulación de material o se le puede aplicar un calentamiento directo adicional en las áreas donde se requiera un mayor grosor. El encogimiento del polietileno es alto, generalmente entre el 3 y 4%, pero las variaciones entre el 1 y 2% son bastante normales. Una variación entre el 2 y 5% en las zonas planas es generalmente lo mejor que se puede conseguir debido al proceso de enfriamiento del rotomoldeo. De ser posible, es mejor evitar las partes planas en las piezas, mientras que el uso de superficies curvas es altamente recomendado para disminuir los efectos de deformación. El enfriamiento interno de los moldes se está volviendo cada vez más común en el rotomoldeo para prevenir las deformaciones – así como para reducir los tiempos de manufactura.

Se pueden moldear cuerdas internas y externas, por lo general, se prefieren cuerdas gruesas. Los moldes se pueden rociar con productos comerciales utilizados para mejorar la fluidez en aéreas donde haya cuerdas, lo que hace que mejore considerablemente la reproducción del detalle del molde en la pieza.

Los insertos de metal también son muy comunes en las piezas rotomoldeadas. El encogimiento relativamente grande del polietileno asegura que los insertos queden lo suficientemente ajustados durante el moldeo, pero hay que reconocer que este encogimiento provocará un esfuerzo residual. En el caso del polietileno, hay que tomar precauciones a la hora de usar insertos si existe la posibilidad de que la pieza moldeada sea expuesta a un ambiente propicio a fracturas por esfuerzo (ESCR por sus siglas en inglés).

Las costillas convencionales son difíciles de crear a través del rotomoldeo porque la resina pulverizada no fluye fácilmente en las cavidades profundas necesarias para formar la costilla. En vez de eso, se puede obtener el mismo efecto de rigidez usando ondulaciones corrugadas como se muestra en la figura 5. La profundidad recomendada de las ondulaciones es de cuatro veces el grosor del material y el ancho debe ser de cinco veces el grosor del material. Esto es para asegurar un buen balance entre la rigidez axial y transversal. Algunas características especiales para crear el efecto de rigidez se llaman “kiss-offs” (puntos de contacto) y son muy efectivos en el rotomoldeo (ver la figura 6). Estos puntos de contacto se crean en piezas de doble pared con figuras cónicas en el molde que hacen que estas dos paredes del molde se “unan”. El resultado de la pieza moldeada es de mucha rigidez y en algunos casos, como en las tarimas, se agrega espumante para crear una excelente rigidez en relación al peso.

Los mejoramientos en el diseño de moldes y la calidad de la resina en polvo, están permitiendo que se produzcan costillas a través del rotomoldeo, como se ilustra en los tanques rotomoldeados de la figura 2 (i). Estas costillas sólidas tienen como 70mm de espesor y 10mm en grosor.

Los ángulos positivos generalmente no son necesarios en la parte hembra del molde porque el plástico se encoge en sentido contrario al mismo. Sin embargo, en la parte macho del molde donde el plástico tiende a encogerse hacia el molde, los ángulos positivos de 1° a 2° son usualmente suficientes. Estos se ilustran en la figura 7. Si el molde está texturizado, se debe aumentar 1° extra. Estos valores de ángulos son para el polietileno. Para materiales más rígidos como el polipropileno y el nilón se debe aumentar un grado más. Materiales amorfos como el policarbonato, requieren un aumento de 2° en todos los casos.

Es posible diseñar remetimientos en el rotomoldeo cuando el encogimiento o flexibilidad del material permite que el mismo se encoja en sentido contrario del molde. El diseñador tendrá que determinar si esto es posible basándose en las características del encogimiento. No se recomiendan grandes ángulos positivos en los remetimientos externos ya que el encogimiento del material va a dificultar el desmoldeo de la pieza. Estos efectos se muestran en la figura 8. Hay que destacar que los remetimientos hechos aquí son con propósitos ilustrativos solamente.

No se pueden hacer piezas rotomoldeadas con hoyos, estos se deben de maquinar después usando herramientas de corte. Durante el moldeo, es común proteger las aéreas que se van a cortar para evitar desperdiciar material. Aunque el polietileno es difícil de pintar, se han desarrollado sofisticados métodos para piezas rotomoldeadas. Existen varias técnicas disponibles. Una solución son calcomanías especiales que se adhieren al polietileno durante el proceso de moldeo. En otros casos, la calcomanía se puede aplicar después del moldeo. Ambos métodos son extremadamente efectivos al proporcionar excelentes gráficos en piezas rotomoldeadas, como se muestra en las figures 2(a) y (e).

Conclusiones

El rotomoldeo siempre se ha considerado un método de producción versátil para piezas de plástico. Durante la década pasada, se ha dedicado a responder a la necesidad de proporcionar piezas de alto desempeño en los sectores de mercado que así lo requieran. Al hacer esto, el proceso ha mantenido sus ventajas de producir piezas sin esfuerzos, disponibles en poco tiempo y a precios razonables. La industrial del rotomoldeo es un sector dinámico con moldeadores y proveedores en la industria siempre dispuestos a responder a cualquier reto.

Bibliografía

Para aquellos que deseen obtener más información acerca del moldeo rotacional pueden referirse a las siguientes fuentes de información [1-8]:

1. Crawford, R.J and Kearns, M. P., Practical Guide to Rotational Moulding, 2nd edition, RAPRA Technology, Shawbury, Shrewsbury, UK (2012)
2. Nugent, P., Rotational Molding: A Practical Guide., www.paulnugent.com (2001)
3. Carvani, M., Mondini, F and Romboli, E., Rotational Moulding: Theory & Practice., Association of Rotational Moulders Australasia (2006)
4. Beall, G.L., Rotational Molding – Design, Materials, Tooling and Processing, 1998, Munich: Hanser. 245.
5. Beall, G., A Designer’s Guide to Rotationally Molding, SPE RETEC, 1999. Cleveland, Ohio, USA.
6. Dodge, P.T., Rotational Molding – The Basic Process, 1995, The Association of Rotational Molders: Chicago, Illinois. p. 14.
7. Crawford, R.J. and Throne, J.L., Rotational Molding Technology, William Andrew Publishing (now Elsevier) 2002
8. Crawford, R.J Rotational Moulding of Plastics, 2nd edition, Research Studies Press, UK (1996)