Determinación de variables significativas en el proceso de inyección
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
experimento3. Seleccionar las variantes o niveles
(cuántos y cuáles) a ensayar para cada
factor4. Definir en qué va a consistir cada
prueba5. Decidir el número de pruebas a
realizar y el tratamiento a aplicar en cada una de
ellas6. 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 carga2. 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 moldeVelocidad 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 piezaTiempo 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