Determinación de variables significativas en el proceso de inyección
Enviado por Angélica María Guarín Hernández
Objetivos
1.1 OBJETIVO GENERAL
Determinar las variables significativas en el proceso de inyección, a través del diseño de experimentos y el ANOVA
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar las variables que inciden en el proceso de inyección de plásticos y sus niveles
Registrar las mediciones de las variables elegidas para llevar a cabo el experimento
Realizar los cálculos requeridos para obtener la interacción entre las variables y el análisis de varianza para que a través de estos resultados se puedan determinar las variables significativas.
Marco teórico
2.1 DEFINICIÓN DEL DISEÑO DE EXPERIMENTOS
El Diseño de experimentos es una metodología estadística cuyo objetivo es la obtención eficiente de datos altamente informativos. Se realiza a través de una secuencia completa de pasos tomados de antemano para asegurar que lo datos apropiados se obtendrán de modo que permitan un análisis objetivo que conduzca a deducciones válidas con respecto al problema establecido.
Uno de sus objetivos es proporcionar la mayor cantidad de información pertinente al problema que se está investigando. Además, el diseño o programa debe ser tan simple como sea posible. De igual manera, la investigación deberá efectuarse lo más eficiente posible.[1]
2.2. DISEÑO FACTORIAL DE 2 NIVELES 2K
El diseño factorial permite el estudio simultáneo de los efectos de varios factores que pueden haber en una respuesta. En el diseño 2K se estudian solamente dos niveles o variantes. En efecto, 2K es el número de tratamientos diferentes a estudiar en estos diseños, que coincidirá con el número de pruebas si el diseño no es replicado. Como en todo diseño de experimentos, en el diseño 2K todos los efectos posibles (simples, interacciones dobles e interacciones de orden superior) son ortogonales entre sí y pueden estimarse a partir de los datos sin que se confundan unos con otros.
2.2.1 Fases en el diseño de un experimento factorial
1. Definir de forma operativa las características sobre las que se quiere investigar los posibles efectos de los factores (respuestas).
2. Seleccionar los factores a incluir en el experimento
3. Seleccionar las variantes o niveles (cuántos y cuáles) a ensayar para cada factor
4. Definir en qué va a consistir cada prueba
5. Decidir el número de pruebas a realizar y el tratamiento a aplicar en cada una de ellas
6. Organizar todo el trabajo experimental, asignando las responsabilidades correspondientes.[2]
2.2.2 Análisis de la Varianza en diseños 2K: El análisis de varianza (ANOVA) es una técnica estadística que consiste en descomponer la variabilidad total observada, expresada como suma de cuadrados total, en otras sumas de cuadrados asociadas a los factores que han sido incluidos en el modelo. En este caso, la finalidad del ANOVA es la de comparar medias asociadas a diferentes tratamientos o niveles de factores que inciden en el dato observado.[3] Consideremos K poblaciones normales con medias µ1, µ2, …, µK. Se desea contrastar las hipótesis:
H1: al menos un par de medias son diferentes
De cada población tenemos una muestra de n1, n2, …, nK observaciones independientes y obtenidas de forma aleatoria. Si designamos de forma general cada observación como yij, el subíndice i indica el grupo al que pertenece, j es el número de la observación dentro de ese grupo.
Es decir, que la diferencia entre el valor observado y la media global es igual a la suma de la diferencia de la observación con la media de su grupo y de la diferencia de la media del grupo con la media global. Se puede comprobar que si cada término de esa expresión se eleva al cuadrado y se suma para todas las observaciones, se mantiene la igualdad:
Cada uno de los términos es una suma de desviaciones cuadráticas, que denominaremos de forma abreviada como suma de cuadrados (SC). La primera SC del lado de la derecha corresponde a las desviaciones de cada observación respecto de la media de su propio grupo, por lo que se la conoce como "dentro de grupos" o "intra grupos", también se le conoce como suma de cuadrados del error. El segundo sumando de la derecha corresponde a las desviaciones de la media de cada grupo respecto de la media global, por lo que cuantifica las diferencias medias entre los grupos, y se conoce como suma de cuadrados "entre grupos":
SCTotal = SCDentro grupo+ SCEntre grupos
Si H0 es cierta, entonces el valor de SCE será pequeño, por lo que SCD se acercará a SCTotal. Se define el cuadrado medio dentro de grupos (CMD), como el cociente entre la suma de cuadrados dentro de grupos (SCD) y los grados de libertad, o sea:
Si la media de todos los grupos es la misma, CME también es una estimación de la varianza común s2. Ahora bien, si las medias de los grupos son diferentes, CME no sólo contiene el valor de la varianza s2, sino que además estará aumentada según las variaciones entre las medias de los tratamientos, y será tanto mayor cuanto mayor sean estas diferencias. Para contrastar las hipótesis se construye el siguiente estadígrafo:
Si la hipótesis nula es cierta, tanto el numerador como el denominador del cociente son estimaciones válidas de la varianza común de las poblaciones que se estudian. Este cociente se ajusta a la distribución F. Si la hipótesis nula es falsa el numerador del cociente en realidad es una estimación inflada de s2; el denominador sigue siendo una estimación válida. Bajo estas condiciones, el valor F será muy grande, y se puede concluir que la hipótesis nula es falsa.
Los resultados de un ANOVA se suelen representar en una tabla como la siguiente:
2.3 EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICOS
El proceso de inyección es discontinuo, y es llevado totalmente la inyectora con su correspondiente equipo auxiliar o periférico. El proceso de inyección consiste básicamente en:
A) plastificar y homogenizar con ayuda de calor el material plástico que ha sido alimentado en la tolva y el cual entrara por la garganta del cilindro.
B) Inyectar el material fundido por medio d presión en las cavidades del molde, del cual tomará la forma o figura que tenga dicho molde.
C) En el tiempo en el que el plástico se enfría dentro del molde se está llevando a cabo el paso "a", posteriormente se abre el molde y expulsa la pieza moldeada.[4]
Las partes de una máquina inyectora son:
1. Motor con medición de torque para optimizar la velocidad de carga
2. Carga de la tolva mediante sistema automático con control de nivel, transporte desde silo y mezcla de colada molida.
3. Control electrónico de temperatura con programa de valores cargado para cada matriz y material a procesar.
4. Refrigeración o calefacción del molde según el material a inyectar y medidor de presión de inyección en el molde que evita la abertura del mismo y por lo tanto la rebaba.
5. Sistema de pesado de las piezas producidas para asegurar que toda la inyección ha salido antes de realizar otro ciclo.[5]
Diseño del experimento
Para llevar a cabo la DETERMINACIÓN DE VARIABLES SIGNIFICATIVAS EN EL PROCESO DE INYECCIÓN, se tendrán en cuenta varios parámetros. Los parámetros a controlar en el proceso de inyección de plásticos son bastantes, generalmente dependen del material a trabajar, del diseño del molde y la pieza, cada caso es particular, las variables a controlar son:
3.1 TEMPERATURAS
Temperaturas del cilindro de plastificación y de la boquilla: Dada por el tipo de material a trabajar, debe ser constante y uniforme ya que controla la densidad y contracción. Generalmente y en este caso el tornillo de inyección cuenta con 3 temperaturas, propiciadas por resistencias ubicadas en las tres zonas del tornillo.
Temperatura el molde: Está determinada por el material plástico a trabajar, y el acabado de la pieza.
La temperatura del aceite del a máquina: Se controla mediante un sistema de refrigeración.
3.2. VELOCIDADES
Velocidad de cierre de molde: Distancia que recorre la parte móvil de la inyectora hasta hacer contacto con la parte fija del molde
Velocidad de apertura de molde: Distancia que recorre la platina móvil del molde hasta separarse de la platina fija y dejar el espacio suficiente para la expulsión de las piezas en un tiempo determinado.
Velocidad de plastificación: Se controla por las revoluciones por minuto o giros por minuto del husillo o tornillo en el momento de la plastificación.
Velocidad de inyección: Dependerá de los siguientes factores: La viscosidad del polímero, condiciones del molde, tamaño y número de puntos de entrada de material, tamaño de los canales o venas de alimentación del material, salidas de aire en el molde, temperatura de la masa fundida, temperatura del molde, acabado de la pieza.
Velocidad de expulsión: Distancia que recorren los expulsores en un tiempo determinado para expulsar la pieza moldeada.
3.3. PRESIONES
Primera presión de inyección: Presión requerida para vencer las resistencias que el material fundido produce a lo largo de su trayectoria, para llenar la cavidad en un 90 ó 95%.
Segunda presión de inyección: Tiene como objeto el mantener bajo presión el material fundido que se solidifica y se contrae en la cavidad del molde, la función de esta segunda presión, es la de completar el llenado.
Contrapresión: En el momento de la plastificación el material es llevado hacia delante en tanto que el husillo va girando hacia atrás, la contrapresión se aplica sobre el husillo que gira y tiene como función el impedir el retorno de éste, mejorando la acción de la mezcla del material.
Descompresión: Distancia que el husillo se hace para atrás con la finalidad de liberar la presión ejercida sobre el plástico de tal manera que no escurra el material al momento que abra el molde.
Presión de expulsión: Una vez terminada la apertura del molde, la pieza se debe separar del molde, y esto se logra a través de un mecanismo de expulsión, que requiere de una presión de botado que esta activada durante toda la fase de expulsión.
Presión de retorno expulsión: Presión que estará presente una vez que los botadores han expulsado la pieza en la fase de expulsión.
3.4. DISTANCIAS
Distancia de dosificación (inyección) y espesor del colchón: Milímetros de material inyectado en función del volumen (cm3) y la unidad de plastificación. Otra definición, es la cantidad de plástico necesaria para llenar todas las cavidades y la colada.
Distancia de conmutación a segunda presión: Milímetros necesarios para hacer el cambio por distancia, de primera presión de inyección a segunda presión de inyección.
Distancia de apertura de molde: Distancia que deseamos que abra la parte móvil del molde para que pueda expulsarse la pieza.
Distancia de expulsión: Milímetros recorridos por el sistema de expulsión de la pieza inyectada, para que pueda desmoldar la pieza.
3.5. TIEMPOS
Tiempo de inyección: Tiempo en el que se lleva a cabo el llenado de las cavidades del molde.
Tiempo de pos presión: Tiempo en que permanece activa la segunda presión.
Tiempo de plastificación: Tiempo requerido para llevarse a cabo la fusión del material, hasta llevarlo a un estado líquido viscoso.
Tiempo de enfriamiento: Tiempo para acabar de solidificar la pieza
Tiempo de ciclo: Tiempo en el que se llevan a cabo las etapas del proceso de inyección: tiempo de cierre + tiempo de inyección + tiempo de pos presión + tiempo de enfriamiento que incluye el tiempo de plastificación + tiempo de apertura y expulsión.[6]
Maquina inyectora evaluada
De todas las variables antes mencionadas algunas inciden de forma directa sobre la calidad del producto terminado (temperaturas, presión y tiempos de ciclo). Para este caso se desea saber cuál o cuáles son las variables significativas entre aditivo, en este caso estearato de zinc (es recomendado ampliamente como estabilizador secundario y lubricante en la producción de compuestos de PVC) y las temperaturas que se presentan en las tres zonas del tornillo de inyección, que repercuten en el llenado de manilares para muletas en PVC.
Controles de la inyectora
Defectos de calidad en los manilares
Producto terminado
Par obtener los datos se tuvieron en cuenta 10 ciclos de inyección por cada ensayo, ya que por experiencia se ha observado que esta cantidad es suficiente para que se estabilicen los parámetros a evaluar.
Para este diseño de experimento, primero se obtiene la tabla donde se muestran las variables, los niveles, y el valor de respuesta.
A partir de esta tabla obtendremos la estimación de efectos simples, dobles, triples y cuádruples, que se mostraran a continuación:
Luego de obtener las tablas de efectos, se procede a realizar un análisis de varianza para determinar cuál o cuáles son las variables estadísticamente significativas.
Al observar la anterior tabla, agrupamos en el residuo los efectos más pequeños para obtener en el residuo más de 4 grados de libertad, (en rojo se muestran los efectos más pequeños). De acuerdo a criterio personal tenemos la siguiente tabla.
Conclusiones
De acuerdo a los resultados obtenidos se observa que los efectos significativos en la inyección de estas piezas corresponden a las temperaturas.
Al determinar que el estearato de zinc no afecta la calidad del producto final, se sugiere a la empresa dejar de usarlo para los manilares en PVC. Esta decisión se notará en los costos tanto para la empresa como para el cliente, ya que este aditivo viene en presentación de 25kg a un costo que oscila entre los $150.000 y $200.000.
De igual manera, se concluye que el diseño de experimentos es una metodología fácil, que puede brindarnos resultados rápidos y confiables respecto a diferentes variables, tanto dentro de los procesos industriales, como en otros aspectos de la vida diaria.
Bibliografía
ROMERO VILLAFRANCA, Rafael y Zuñica Ramajo, Luisa Rosa. Métodos Estadísticos en Ingeniería. Editorial Universidad Politécnica de Valencia. España 2005.
http://www.cipav.org.co/RevCubana/fullart/1101/110102.doc
http://www.mailxmail.com/curso-manual-inyeccion-plasticos/proceso-inyeccion
http://www.monografias.com/trabajos31/polimeros/polimeros
http://www.scribd.com/doc/2249621/Diseno-de-Experimentos
http://www.scribd.com/doc/6784164/Analisis-de-La-Varianza
Autor:
Angélica María Guarín Hernández
Giovanni Piedrahita Suaza
ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES ECCI
FACULTAD DE INGENIERÌA
PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
SEMINARIO DE ACTUALIZACIÓN II
BOGOTÁ
2009
[1] http://www.scribd.com/doc/2249621/Diseno-de-Experimentos
[2] ROMERO VILLAFRANCA, Rafael y Zuñica Ramajo, Luisa Rosa. Métodos Estadísticos en Ingeniería. Editorial Universidad Politécnica de Valencia. España 2005. p 233
[3] http://www.cipav.org.co/RevCubana/fullart/1101/110102.doc
[4] http://www.mailxmail.com/curso-manual-inyeccion-plasticos/proceso-inyeccion
[5] /trabajos31/polimeros/polimeros
[6] http://www.mailxmail.com/curso-manual-inyeccion-plasticos/variables-sus-definiciones-que-son-usadas-proceso-inyeccion