miniatura|Màquina d'injecció de plàstic La injecció de polímers o emmotllament per injecció és un procés semicontinu que consisteix a injectar un polímer en estat fos en un motlle tancat a pressió, i través d'un petit forat. Dins el motlle el material es solidifica. La peça o part final s'obté en obrir el motlle i treure de la cavitat la peça. La injecció és una tècnica molt popular per la fabricació d'articles. La indústria del plàstic ha crescut a una taxa de 12% anual durant els últims 25 anys, i el principal procés de transformació de plàstic és per injecció, seguit del d'extrusió. Un exemple de productes fabricats per aquesta tècnica són els famosos blocs connectables de la marca LEGO i les joguines de la casa Playmobil, així com una gran quantitat de components per l'automòbil, per electrodomèstics i per avions.
Els polímers han aconseguit substituir altres materials com són fusta, metallés, fibres naturals, ceràmicas i fins a pedres precioses; l'emmotllament per injecció és un procés ambientalment més favorable comparat amb la fabricació de paper, la tala d'arbres o cromats. Ja que no contamina l'ambient de forma directa, no emet gasos ni deixalles aquoses, amb baixos nivells de soroll. No obstant això, no tots els plàstics poden ser reciclats i alguns susceptibles de ser reciclats són dipositats en l'ambient, causant danys al medi ambient.
La popularitat d'aquest mètode s'explica amb la versatilitat de peces que poden fabricar-se, la rapidesa de fabricació, el disseny escalable des de processos de prototips ràpids, alts nivells de producció i baixos costos, alta o baixa automatització segons el cost de la peça, geometries molt complicades que serien impossibles per altres tècniques, les peces motllades requereixen molt poc o nul acabat doncs són acabades amb la rugositat de superfície desitjada, color i transparència o opacitat, bona tolerància dimensional de peces motllades amb inserits o sense i amb diferents colors.
Antecedents històrics El disseny actual de la màquina d'emmotllament per injecció ha estat influït per la demanda de productes amb diferents característiques geomètriques, amb diferents polímers involucrats i colors. A més, el seu disseny s'ha modificat de manera que les peces motllades tinguin un menor cost de producció, la qual cosa exigeix rapidesa d'injecció, baixes temperatures, i un cicle d'emmotllament curt i precís.
John Hyatt va registrar en 1872 la primera patent d'una màquina d'injecció, la qual consistia en un pistó que contenia en la càmera derivats cel·lulòsics fosos. No obstant això, s'atribueix a la companyia alemanya Cellon-Werkw l'haver estat pionera de la màquina d'injecció moderna. Aquesta signatura va presentar, en 1928, una patent, incloent-hi la descripció de la nitrocel·lulosa (cel·luloide). A causa del caràcter inflamable de la nitrocel·lulosa, es van utilitzar posteriorment altres derivats cel·lulòsics com el etanoat de cel·lulosa. Els britànics John Beard i Peter Delafield, a causa de certes diferències en la traducció de la patent alemanya, van desenvolupar paral·lelament la mateixa tècnica a Anglaterra, amb els drets de patent anglesa per a la companyia F.A. Hughes Ltd.
El primer article de producció massiva a Anglaterra va ser la ploma font, produïda durant els anys trenta per la companyia Mentmore Manufacturing. La mateixa utilitzava màquines d'emmotllament per injecció d'Eckert & Ziegler (Alemanya). Aquestes màquines funcionaven originalment amb aire comprimit (aproximadament 31 kg/cm²); el sistema d'obertura de motlle i l'extracció de la peça eren realitzats manualment, i els controls incloïen vàlvules manuals, sense control automàtic ni pantalles digitals; a més, mancaven de sistemes de seguretat.
En 1932 va aparèixer la primera màquina per a injecció operada amb sistemes elèctrics, desenvolupada per la companyia Eckert & Ziegler. Al mateix temps, altres països com Suïssa i Itàlia començaven a aconseguir importants avanços en maquinària. Ja a la fi dels anys trenta, el polietilè i el PVC, ambdós produïts amb tècniques d'alta capacitat de producció i baix cost, van provocar una revolució en el desenvolupament de la maquinària, tenint el PVC principal èxit com a material per a extrusió.
En 1951 es va desenvolupar als Estats Units la primera màquina d'injecció amb un cargol reciprocant (o, simplement, eix d'extrusió), encara que no va ser patentada fins a 1956. Aquest canvi ha estat l'aportació més important en la història de les màquines d'injecció. En finalitzar la Segona Guerra Mundial, la indústria de la injecció de plàstic va experimentar un creixement comercial sostingut. No obstant això, a partir de la dècada dels vuitanta, les millores s'han enfocat a l'eficiència del disseny, del flux del polímer, l'ús de sistemes de disseny assistit per ordinador, inclusió de robots més ràpids per a extracció de peces, injecció assistida per computadora, eficàcia en el control d'escalfament i millores en el control de la qualitat del producte.
Fonaments L'emmotllament per injecció és una de les tecnologies de processament de plàstic més famoses, ja que representa una manera relativament simple de fabricar components amb formes geomètriques d'alta complexitat. Per a això es necessita una màquina d'injecció que inclogui un motlle. En aquest últim, es fabrica una cavitat la forma de la qual i grandària són idèntiques a les de la peça que es desitja obtenir. La cavitat s'omple amb plàstic fos, el qual se solidifica, mantenint la forma motllada.
Els polímers conserven la seva forma tridimensional quan són refredats per sota de la seva Tg i, per tant, també de la seva temperatura de fusió per a polímers semicristal·lins. Els polímers amorfs, la temperatura útil dels quals és inferior al seu Tg, es troben en un estat termodinàmic de pseudoequilibri. En aquest estat, els moviments de rotació i de relaxació (desembolicament de les cadenes) del polímer es troben altament impedits. És per aquesta causa que, en absència d'esforços, es reté la forma tridimensional. Els polímers semicristal·lins posseeixen, a més, la característica de formar cristalls. Aquests cristalls proporcionen estabilitat dimensional a la molècula, la qual també és, a la regió cristal·lina, termodinàmicament estable. L'entropia de les molècules del plàstic disminueix dràsticament a causa de l'ordre de les molècules en els cristalls.
Maquinària miniatura|La unitat d'injecció. Les parts més importants de la màquina són:
Unitat d'injecció La funció principal de la unitat d'injecció és la de fondre, barrejar i injectar el polímer. Per aconseguir això s'utilitzen eixos de diferents característiques segons el polímer que es desitja fondre. L'estudi del procés de fusió d'un polímer en la unitat d'injecció ha de considerar tres condicions termodinàmiques:
La temperatura de processament del polímer. La capacitat calorífica del polímer Cp [cal/g °C]. El calor latent de fusió, si el polímer és semicristal·lí.
El procés de fusió involucra un increment en la calor del polímer, que resulta de l'augment de temperatura i de la fricció entre el barril i l'eix. La fricció i esforços tallants són bàsics per a una fusió eficient, atès que els polímers no són bons conductors de calor. Un increment en temperatura disminueix la viscositat del polímer fos; el mateix succeeix en incrementar la velocitat de cort. Per això ambdós paràmetres han de ser ajustats durant el procés. Existeixen, a més, metalls estàndards per a cada polímer amb la finalitat d'evitar la corrosió o degradació. Amb algunes excepcions, com el PVC, la majoria dels plàstics poden utilitzar-se en les mateixes màquines.
La unitat d'injecció és en origen una màquina d'extrusió amb un sol eix, tenint el barril escalfadors i sensors per mantenir una temperatura programada constant. La profunditat entre el canal i l'eix disminueix de forma gradual (o dràstica, en aplicacions especials) des de la zona d'alimentació fins a la zona de dosatge. D'aquesta manera, la pressió en el barril augmenta gradualment. L'esforç mecànic, l'esforç tallant i la compressió afegeixen calor al sistema i fonen el polímer més eficientment que si hi hagués únicament calor, sent aquesta la raó fonamental per la qual s'utilitza un eix d'extrusió i no una autoclau per obtenir el fos.
Una diferència substancial pel que fa al procés d'extrusió és l'existència d'una part extra anomenada càmera de reserva. És allí on s'acumula el polímer fos per ser injectat. Aquesta càmera actua com la d'un pistó; tota la unitat es comporta com l'èmbol que empeny el material. A causa d'això, una part de l'eix d'extrusió acaba per subutilitzar-se, per la qual cosa es recomanen canons llargs per a processos de barrejat eficient. Tant en injecció com en extrusió s'han de prendre en compte les relacions de PvT (Pressió, volum, temperatura), que ajuden a entendre com es comporta un polímer en fondre.
Unitat de tancament És una premsa hidràulica o mecànica, amb una força de tancament bastant gran que contraresta la força exercida pel polímer fos en ser injectat en el motlle. Les forces localitzades poden generar pressions de l'ordre de centenars de MPa, que només es troben en el planeta de manera natural únicament en els punts més profunds de l'oceà.
Si la força de tancament és insuficient, el material escaparà per la unió del motlle, causant així la tendència a obrir-se del motlle. És comú utilitzar l'àrea projectada d'una peça (àrea que representa perpendicularment a la unitat de tancament el total de la cavitat) per determinar la força de tancament requerida, excloent possibles buits o forats de la peça.
On: F = Força (N) Pm = Pressió mitjana (Pa) Ap = Àrea projectada (m²)
Motlle miniatura|Esquema d'un motlle comercial prefabricat, al que només li falta la cavitat per a la peça desitjada. El motlle (també anomenat eina) és la part més important de la màquina d'injecció, ja que és l'espai on es genera la peça; per produir un producte diferent, simplement es canvia el motlle, en ser una peça intercanviable que es cargola en la unitat de tancament. existeixen dos tipus importants de motlle, un en la qual injecta plàstic i una altra en la qual injecta metall.
Les parts del motlle són: Cavitat: és el volum en el qual la peça serà motllada. Canals o ductes: són conductes a través dels quals el polímer fos flueix a causa de la pressió d'injecció. El canal d'alimentació s'omple a través del filtre, els següents canals són els denominats abeuradors i finalment es troba la comporta. Canals de refredament: Són canals pels quals circula refrigerant (el més comuna aigua) per regular la temperatura del motlle. El seu disseny és complex i específic per a cada peça i motlle, això en vista que la refrigeració ha de ser el més homogènia possible en tota la cavitat i en la part fixa com en la part mòbil, això amb la finalitat d'evitar els efectes de contracció. Cap destacar que al moment de realitzar el disseny d'un motlle, el sistema de refrigeració és l'últim que s'ha de dissenyar. Barres expulsores: en obrir el motlle, aquestes barres expulsen la peça motllada fora de la cavitat, podent de vegades comptar amb l'ajuda d'un robot per realitzar aquesta operació.
Control de paràmetres miniatura|Omplerta de motlle per injecció. miniatura|En refredar-se, les parts injectades es contreuen, sent el seu volum menor que el de la cavitat. miniatura|Peça de Nylon 6 motllada per a un Automòbil. miniatura|Motlle per fabricar un clip de plàstic per a paper. Els paràmetres més importants per a un procés d'injecció són els següents.
Cicle d'emmotllament En el cicle d'emmotllament es distingeixen sis passos principals (encara que alguns autors arriben a distingir fins a 9 passos): Motlle tancat i buit. La unitat d'injecció carrega material i s'omple de polímer fos. S'injecta el polímer obrint-se la vàlvula i, amb l'eix d'extrusió que actua com un pistó, es fa passar el material a través del filtre cap a les cavitats del motlle.