ALVARO FRANCISCO MÉNDEZ NIVIA

IM-2006-II-23

VENTANA DE OPERACIÓN PARA TERMOFORMADO CON POLIPROPILENO

ALVARO FRANCISCO MÉNDEZ NIVIA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C. 2007

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VENTANA DE OPERACIÓN PARA TERMOFORMADO CON POLIPROPILENO

ALVARO FRANCISCO MÉNDEZ NIVIA

Proyecto para optar por el Título de Ingeniero Mecánico

Asesor JORGE ALBERTO MEDINA PERILLA

Dr. Ing. Industrial, Ing. Mecánico

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C. 2007

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TABLA DE CONTENIDOS Introducción.........................................................................................................7 1. Extrusión ..........................................................................................................8

1.1. Tornillo Extrusor..........................................................................................8 1.1.1. Zona de alimentación...........................................................................9 1.1.2. Zona de compresión ............................................................................9 1.1.3. Zona de dosificación ............................................................................9

1.2. Zona del Dado ..........................................................................................10 1.3. Calandria ..................................................................................................11 1.4. Mecanismos De Transporte .....................................................................12 1.5. Variables de Extrusión..............................................................................12

1.5.1. Temperatura.......................................................................................12 1.5.2. Espesor de Lámina ............................................................................13 1.5.3. Orientación de Lámina.......................................................................13

2. Termoformado ...............................................................................................14 2.1. Variables de Termoformado.....................................................................15

2.1.1. Temperatura de Lámina.....................................................................16 2.1.2. Presión De Formado..........................................................................16 2.1.3. Velocidad De Proceso .......................................................................17

3. Propiedades De Los Plásticos.....................................................................18 3.1. Peso Molecular .........................................................................................18 3.2. Índice de Fluidez.......................................................................................20 3.3. Cristalinidad ..............................................................................................22 3.4. Transiciones Térmicas En Los Plásticos..................................................24

4. Procedimientos Experimentales..................................................................27 4.1. Caracterización del material .....................................................................27

4.1.1. Densidad ...........................................................................................27 4.1.2. Indice de Fluidez................................................................................28 4.1.3. Reología Capilar ................................................................................29

4.2. Extrusión De Láminas ..............................................................................31 4.2.1. Prueba De Biorientación ...............................................................35

4.3. Termoformado ..........................................................................................37 4.4. Compresión Axial De Envases.................................................................41

5. Resultados Experimentales .........................................................................42 5.1. Caracterización del Material .....................................................................42

5.1.1. Resultados Prueba de Densidad .......................................................43 5.1.2. Resultados Índice De Fluidez ............................................................43 5.1.3 Resultados Reología Capilar ..............................................................44

5.2. Resultados Extrusión De Láminas ...........................................................45 5.2.1. Resultados Biorientación De Láminas ..........................................46

5.3. Resultados Termoformado.......................................................................47 5.3.1. Formulación De La Ventana De Operación.......................................47

6. Efecto De La Ventana De Operación En Propiedades Mecánicas ...........53 6.1. Curva De Prueba De Compresión Axial De Envases ..............................53

6.1.1. Indice De Rigidez Lineal 1 .................................................................54 6.1.2. Indice De Rigidez Lineal 2 .................................................................64 6.1.3. Fuerza Máxima En Pruebas De Compresión Axial ...........................75

7. Análisis De Resultados ................................................................................82 7.1. Caracterización Del Material ....................................................................82

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7.2. Extrusión De Lámina ................................................................................82 7.3. Ventana De Termoformado......................................................................83 7.4. Efectos De La Ventana En Las Propiedades Mecánicas ........................84

7.4.1. Indice De Rigidez Lineal 1 .................................................................84 7.4.2. Indice De Rigidez Lineal 2 .................................................................86 7.4.3. Fuerza Máxima De Compresión ........................................................87

Conclusiones .....................................................................................................89 Agradecimientos ...............................................................................................91 ANEXO 1.............................................................................................................92 Pruebas De Caracterización Del PP 03H82NA y Prueba De Orientación y Medición De Láminas..........................................................................................92

A.1. Prueba De Densidad................................................................................93 A.2. Prueba De Indice De Fluidez ...................................................................94 A.3. Reología Capilar PP 03H82NA y PP 03H82ND ......................................95 A.4. Prueba De Orientación De Lámina ..........................................................98 A.5. Medición Espesor y Ancho De Lámina ....................................................99

ANEXO 2...........................................................................................................100 Pruebas De Compresión Axial De Envases .....................................................100

B.1. Pruebas De Compresión Axial De Envases Para Pruebas De Temperatura (presión de formado 400 kPa, velocidad de proceso 13.7 ciclos/min) ......................................................................................................101 B.2. Pruebas De Compresión Axial De Envases Para Pruebas De Presión De Formado (temperatura espesor de lámina 1mm 380ºC, espesor de lámina 1.5mm 430ºC, velocidad de proceso 13.7 ciclos/min) ..................................107 B.3. Pruebas De Compresión Axial De Envases Para Pruebas De Velocidad De Proceso (temperatura espesor de lámina 1mm 380ºC, espesor de lámina 1.5mm 430ºC, presión de formado 400kPa) .................................................110 B.4. Pruebas De Compresión Axial De Envases Para Pruebas De Termoformado Referencia (temperatura espesor de lámina 1mm 380ºC, espesor de lámina 1.5mm 430ºC, presión de formado 400kPa, velocidad de proceso 13.7 ciclos/min)................................................................................114

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INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Esquema de extrusora con todas sus partes ......................................9 Figura 2. Dimensiones según diámetro y longitud de cilindro para tornillo extrusor para polipropileno..................................................................................10 Figura 3. Dado del sistema principal Extruder 5255. ........................................11 Figura 4. Esquema de la calandria....................................................................11 Figura 5. Esquema del termoformado 1. Lámina sujetada, 2. Pre-estiramiento, 3. Formado, 4. Apertura del molde .....................................................................15 Figura 6. Distribuciones de peso molecular amplia y angosta .........................19 Figura 7. Esquema de la prueba del índice de fluidez......................................21 Figura 8. Ilustración de las configuraciones stereoquímicas del Polipropileno. a)Isotáctica, b) Sindiotáctica, c)Atáctica…………………………………………...23 Figura 9. Transiciones térmicas generales de los termoplásticos. ....................26 Figura 10. Balanza Sartorius A210P. ................................................................28 Figura 11. Plastometro de extrusión Tinius Olsen WL-987 y termocupla Fluke 52II (dispositivo amarillo).....................................................................................29 Figura 12. Máquina Instron 1122. .....................................................................30 Figura 13. Tolva y parte del cilindro del sistema principal Extruder5255 de la extrusora Welex Ultima I. ....................................................................................32 Figura 14. Sistema de rodillos de la calandria Welex Ultima I..........................32 Figura 15. Rodillos Principales de La calandria Welex Ultima I. ......................33 Figura 16. Rollo de lámina al final de la calandria Welex Ultima I....................33 Figura 17. Tablero de mando e indicadores de la extrusora. ...........................34 Figura 18. Horno Thermolyne. ..........................................................................36 Figura 19. Calibrador Digital TS. .......................................................................36 Figura 20. Montaje para prueba de orientación de lámina. ..............................37 Figura 21. Termoformadora ILLIG RDM 37/10. ................................................38 Figura 22. Esquema del ciclo (revolución) de termoformado ...........................38 Figura 23. Tablero de mando e indicadores de la termoformadora ILLIG RDM 37/10....................................................................................................................40 Figura 24. Falla del envase en la prueba de compresión axial. .......................42 Figura 25. Reología capilar a 220ºC y 240ºC. Esfuerzo cortante en el PP 03H82NA y el PP 03H82ND a distintas velocidades de corte............................44 Figura 26. Reología capilar a 220ºC y 240ºC. Viscosidad en el PP 03H82NA y el PP 03H82ND a distintas velocidades de corte. ..............................................44 Figura 27. Envases termoformados de buena calidad y estabilidad dimensional para lámina de 1.0mm (izquierda) y 1.5mm (derecha). Parámetros de termoformado tabla 6. ....................................................................................47 Figura 28. Envases defectuosos para lámina de espesor 1.0mm (izquierda) y 1.5mm (derecha). ................................................................................................48 Figura 29. Ventana de operación para espesor de lámina 1mm.......................51 Figura 30. Ventana de operación para lámina de espesor 1.5mm....................52 Figura 31. Curva típica de la prueba de compresión axial de envases. ...........54 Figura 32. Gráfica de índice de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de temperatura con lámina de espesor de 1mm. ...............................................55 Figura 33. Gráfica de índice de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de presión de formado con lámina de espesor de 1mm.....................................56 Figura 34. Gráfica de índice de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con lámina de espesor de 1mm..................................57

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Figura 35. Gráfica de índice de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de temperatura con lámina de espesor de 1.5mm. ............................................58 Figura 36. Gráfica de índice de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de presión de formado con lámina de espesor de 1.5mm..................................59 Figura 37. Gráfica de índice de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con lámina de espesor de 1.5mm...............................60 Figura 38. Valores del índice de rigidez lineal 1 para las pruebas de temperatura. Espesor de lámina 1mm...............................................................61 Figura 39. Valores del índice de rigidez lineal 1 para las pruebas de temperatura. Espesor de lámina 1.5mm............................................................61 Figura 40. Gráfica comparativa del índice de rigidez lineal 1 para presión de formado en los dos espesores de lámina. ..........................................................62 Figura 41. Gráfica comparativa del índice de rigidez lineal 1 para velocidad de proceso en los dos espesores de lámina............................................................62 Figura 42. Rangos de índice de rigidez lineal 1 para cada prueba de termoformado para espesor de lámina 1mm. .....................................................63 Figura 43. Rangos de índice de rigidez lineal 1 para cada prueba de termoformado para espesor de lámina 1.5mm...................................................64 Figura 44. Gráfica de índice de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de temperatura con lámina de espesor de 1mm. ...............................................65 Figura 45. Gráfica de índice de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de presión de formado con lámina de espesor de 1mm.....................................66 Figura 46. Gráfica de índice de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con lámina de espesor de 1mm..................................67 Figura 47. Gráfica de índice de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de temperatura con lámina de espesor de 1.5mm. ............................................68 Figura 48. Gráfica de índice de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de presión de formado con lámina de espesor de 1.5mm..................................69 Figura 49. Gráfica de índice de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con lámina de espesor de 1.5mm...............................70 Figura 50. Valores del índice de rigidez lineal 2 para las pruebas de temperatura. Espesor de lámina 1mm...............................................................71 Figura 51. Valores del índice de rigidez lineal 2 para las pruebas de temperatura. Espesor de lámina 1.5mm............................................................72 Figura 52. Gráfica comparativa del índice de rigidez lineal 2 para presión de formado en los dos espesores de lámina. ..........................................................72 Figura 53. Gráfica comparativa del índice de rigidez lineal 2 para presión de formado en los dos espesores de lámina. ..........................................................73 Figura 54. Rangos de índice de rigidez lineal 2 para cada prueba de termoformado para espesor de lámina 1mm. .....................................................74 Figura 55. Rangos de índice de rigidez lineal 2 para cada prueba de termoformado para espesor de lámina 1.5mm...................................................75 Figura 56. Valores de fuerza máxima de compresión para las pruebas de temperatura. Espesor de lámina 1mm...............................................................78 Figura 57. Valores de fuerza máxima de compresión para las pruebas de temperatura. Espesor de lámina 1.5mm............................................................78 Figura 58. Gráfica comparativa de la fuerza máxima de compresión para presión de formado en los dos espesores de lámina. ........................................79 Figura 59. Gráfica comparativa de la fuerza máxima de compresión para velocidad de proceso en los dos espesores de lámina. .....................................79

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Figura 60. Rangos de fuerza máxima de compresión para cada prueba de termoformado para espesor de lámina 1mm. .....................................................80 Figura 61. Rangos de fuerza máxima de compresión para cada prueba de termoformado para espesor de lámina 1.5mm...................................................81

INDICE DE TABLAS

Tabla 1. Características Principales Del Tornillo de la extrusora Welex Ultima I32 Tabla 2. Temperatura en cada zona de la extrusora principal ...........................34 Tabla 3. Temperatura en cada uno de los rodillos principales de la calandria ..35 Tabla 4. Presión en cada zona de la extrusora principal ...................................35 Tabla 5. Velocidad del tornillo de la extrusora principal .....................................35 Tabla 6. Valores de los parámetros de termoformado para espesores de lámina de 1mm y 1.5mm.....................................................................................39 Tabla 7. Resultados Prueba de Densidad ASTM D792. ...................................43 Tabla 8. Resultados Prueba de Índice de Fluidez ASTM1238. ........................43 Tabla 9. Espesor, peso y longitud de cada lámina extruida..............................46 Tabla 10. Resultados prueba de orientación de lámina ASTM D1204 .............46 Tabla 11. Valores de temperatura para cada uno de los calentadores en cada una de las pruebas para espesor de lamina 1mm..............................................49 Tabla 12. Valores de temperatura para cada uno de los calentadores en cada una de las pruebas para espesor de lamina 1.5mm...........................................49 Tabla 13. Valores para la presión de formado en cada una de las pruebas para espesor de lámina 1mm......................................................................................50 Tabla 14. Valores para la presión de formado en cada una de las pruebas para espesor de lámina 1.5mm...................................................................................50 Tabla 15. Valores para la velocidad del proceso en cada una de las pruebas para espesor de lámina 1mm..............................................................................50 Tabla 16. Valores para la velocidad del proceso en cada una de las pruebas para espesor de lámina 1.5mm...........................................................................50 Tabla 17. Limites inferior y superior de la ventana de termoformado para espesores de lámina de 1.0mm y 1.5mm. ..........................................................50 Tabla 18. Indices de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de temperatura con espesor de lámina de 1mm y porcentaje respecto al caso ideal. ....................................................................................................................55 Tabla 19. Indices de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de presión de formado con espesor de lámina de 1mm y porcentaje respecto al caso ideal.56 Tabla 20. Indices de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con espesor de lámina de 1mm y porcentaje respecto al caso ideal.57 Tabla 21. Indices de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de temperatura con espesor de lámina de 1.5mm y porcentaje respecto al caso ideal. ....................................................................................................................58 Tabla 22. Indices de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de presión de formado con espesor de lámina de 1.5mm y porcentaje respecto al caso ideal. ....................................................................................................................59

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Tabla 23. Indices de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con espesor de lámina de 1.5mm y porcentaje respecto al caso ideal. ....................................................................................................................60 Tabla 24. Indices de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de temperatura con espesor de lámina de 1mm y porcentaje respecto al caso ideal. ....................................................................................................................65 Tabla 25. Indices de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de presión de formado con espesor de lámina de 1mm y porcentaje respecto al caso ideal.66 Tabla 26. Indices de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con espesor de lámina de 1mm y porcentaje respecto al caso ideal.67 Tabla 27. Indices de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de temperatura con espesor de lámina de 1.5mm y porcentaje respecto al caso ideal. ....................................................................................................................68 Tabla 28. Indices de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de presión de formado con espesor de lámina de 1.5mm y porcentaje respecto al caso ideal. ....................................................................................................................69 Tabla 29. Indices de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con espesor de lámina de 1.5mm y porcentaje respecto al caso ideal. ....................................................................................................................70 Tabla 30. Valores de fuerza máxima alcanzada en cada prueba de compresión axial para temperatura con espesor de lámina de 1mm y porcentaje con respecto al caso ideal..........................................................................................76 Tabla 31. Valores de fuerza máxima alcanzada en cada prueba de compresión axial para presión de formado con espesor de lámina de 1mm y porcentaje con respecto al caso ideal..........................................................................................76 Tabla 32. Valores de fuerza máxima alcanzada en cada prueba de compresión axial para velocidad de proceso con espesor de lámina de 1mm y porcentaje con respecto al caso ideal...................................................................................76 Tabla 33. Valores de fuerza máxima alcanzada en cada prueba de compresión axial para temperatura con espesor de lámina de 1.5mm y porcentaje con respecto al caso ideal..........................................................................................77 Tabla 34. Valores de fuerza máxima alcanzada en cada prueba de compresión axial para presión de formado con espesor de lámina de 1.5mm y porcentaje con respecto al caso ideal...................................................................................77 Tabla 35. Valores de fuerza máxima alcanzada en cada prueba de compresión axial para velocidad de proceso con espesor de lámina de 1.5mm y porcentaje con respecto al caso ideal...................................................................................77

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Introducción

El polipropileno y el poliestireno son termoplásticos producidos en Colombia,

por lo que es importante encontrar nuevas aplicaciones para estos materiales y

formular nuevos procesos para obtener productos de estos plásticos.

El objeto de esta tesis de grado, es encontrar la ventana de operación para

termoformado con polipropileno y el efecto de dicha ventana en las

propiedades mecánicas del material. Al tener esta información se tiene un

rango de valores de distintas variables del proceso para lograr un producto de

calidad controlada. Conocer este tipo de ventanas nos brinda valiosa

información para poder adaptar el material a los tipos de proceso, esto para

lograr obtener productos que ofrezcan buenas características mecánicas y

estabilidad dimensional a un menor precio, en este caso, el polipropileno para

extrusión (03H82NA producido por Propilco S.A.) con un precio de 2.04U$/kg1

le compite al poliestireno para extrusión (685D cristal producido por DOW

chemicals Colombia) con un precio de 2.48U$/kg2.

1 Propilco S.A. (2007). Andrés Salgado. Oficina en Bogotá. Área de ventas 2 Dow Chemicals de Colombia S.A. (2007). Oficina en Bogotá. Área De Ventas

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1. Extrusión

Este tipo de proceso es altamente utilizado por su versatilidad, sus costos

relativamente bajos y su operación continua. Consiste en hacer pasar material

(plástico en pellets) de una tolva a un cilindro con un tornillo en su interior. El

cilindro es calentado externamente por resistencias. Este tornillo mezcla y

comprime el material antes de que se funda y después homogeniza el material

fundido. Luego empuja material polimérico fundido por medio del uso de

presión al final del cilindro donde hay un dado y lo hace pasar por este que le

da el perfil deseado sin quiebres en su continuidad.

1.1. Tornillo Extrusor

Un tornillo extrusor tiene uno o dos hilos en espiral a lo largo de este. El

diámetro de estos hilos permanece constante a lo largo de todo el tornillo. El

tornillo esta ajustado dentro de un cilindro de tal forma que se deja un espacio

preciso para que el tornillo pueda rotar. La raíz del tornillo es de diámetro

variable de tal forma que el canal de la espiral varía en profundidad. Esto se

hace con el fin de que vaya aumentando la presión a lo largo del extrusor para

impulsar el material a través del dado. A lo largo del tornillo se pueden

identificar tres zonas principales que son:

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Figura 1. Esquema de extrusora con todas sus partes3

1.1.1. Zona de alimentación En esta parte del tornillo (figura 1) se precalienta y se transporta el polímero, la

profundidad del canal del hilo es constante y la longitud es la adecuada para

que haya una alimentación de material correcta hacia delante.

1.1.2. Zona de compresión La profundidad del canal en esta zona (figura 1) va decreciendo. Primero se

expulsa el aire atrapado en el material; segundo se mejora la transferencia de

calor desde las paredes del cilindro hacia el material y tercero se da el cambio

de densidad del material por la fusión de este.

1.1.3. Zona de dosificación En esta zona (figura 1) la profundidad del canal vuelve a ser constante para

que el material fundido se homogenice y así se pueda entregar al dado plástico

fundido a presión y temperatura constantes.

3 Morton-Jones (2004). 4 Extrusión (p 96). Procesamiento De Plásticos. Editorial Limusa S.A.

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La figura 2 muestra las características geométricas que debe tener un tornillo

extrusor para lámina de polipropileno según HUNTSMAN, empresa

norteamericana dedicada a la producción de distintos materiales entre estos

polipropileno.

Figura 2. Dimensiones según diámetro y longitud de cilindro para tornillo extrusor para polipropileno4

1.2. Zona del Dado

En esta parte se encuentra el porta mallas, que generalmente consta de una

placa perforada de acero y un juego de mallas de varias capas de gasa de

alambre al lado del tornillo. La función de la placa y las mallas es primero

evitar el paso de material no fundido o de impurezas; segundo crear un frente

de presión cuando se opone una resistencia al bombeo de la zona anterior y

tercero eliminar la memoria de giro del material. Las cadenas moleculares del

material fundido al ser sometidas a una rotación constante a lo largo del tornillo

obtienen una alineación, que se mantiene incluso después de pasar por el

4 Huntsman Internacional LLC (2006). Extrusion Equipment Selection (p6). Polypropylene Sheet Extrusion Guide. Huntsman Internacional LLC Texas USA.

AlimentaciónCompresiónDosificación

0.33 L/D 0.21 L/D 0.46 L/D

L = Longitud del cilindro D = Diámetro del cilindro Relación de compresión = 3.2:1

Diámetro a 0.137 D de profundidad

Diámetro a 0.043 D de profundidad

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dado. Por esto es importante que las mallas y la placa perforada eliminen esta

alineación para evitar irregularidades geométricas en el material después de su

paso por el dado. La figura 3 muestra un dado para extrusión de láminas.

Figura 3. Dado del sistema principal Extruder 5255.

1.3. Calandria

Después de pasar por el dado, para la extrusión de lámina, se usan una serie

de rodillos (figura 4) que ayudan al material a obtener el espesor y forma de

lámina requerida y a enfriar el material, al final de este ensamble de rodillos se

enrolla la lámina con la ayuda de un cilindro de cartón grueso.

Figura 4. Esquema de la calandria

Lámina

Dado

Rodillos Principales Rollo De

Lámina

Rodillos

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1.4. Mecanismos De Transporte Existe fricción entre el material y el tornillo y entre el material y el cilindro, esto

es lo que hace que exista un flujo de arrastre. Este es el equivalente entre las

placas estacionaria y móvil separadas por un medio viscoso, lo que constituye

el mecanismo principal de flujo del tornillo extrusor. A este flujo de arrastre se

le oponen el flujo de presión, causado por la gradiente de presión a lo largo del

tornillo, y el flujo de fuga, que se da en el espacio que existe entre el tornillo y el

cilindro, impulsado también por la presión. Al final tenemos la siguiente

ecuación5:

Flujoneto = Flujoarrastre - Flujopresión - Flujofuga

1.5. Variables de Extrusión En esta sección se encuentran las variables de extrusión más importantes para

lograr la extrusión de láminas de calibre 1.0mm y 1.5mm. El resto de posibles

variables (velocidad de tornillo, temperatura de los rodillos, presión en el

cilindro, etc.) se manejan como una constante por lo que no se mencionan.

1.5.1. Temperatura

Para que el material pueda fluir a través del dado tiene que estar a una

temperatura específica para que se pueda dar el procesamiento del material.

El control de temperatura también asegura continuidad en el proceso y

uniformidad en la producción. Además de lo mencionado se deben tener las

temperaturas suficientes para que el material presente una viscosidad y 5 Morton-Jones (2004). 4 Extrusión (p105). Procesamiento De Plásticos. Editorial Limusa S.A.

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esfuerzos cortantes no muy altos dentro del cilindro de la extrusora para que el

impulsor del tornillo no tenga que usar demasiada potencia. Aumento en la

potencia significa un incremento de costos en el proceso.

1.5.2. Espesor de Lámina

Esta variable tiene que ver con problemas de temperatura y la cantidad de

masa que sale del dado. Para asegurar un calentamiento uniforme en el

material y evitar que la lámina quede muy pesada y origine problemas de

degradación se debe tener un espesor de lámina adecuado.

1.5.3. Orientación de Lámina

La orientación de las cadenas poliméricas debe ser la correcta porque los

perfiles obtenidos por extrusión tienen propiedades diferentes si la dirección es

en sentido del avance o transversal. Para el caso de láminas para

termoformado se desea que la lámina tenga una orientación menor al 10% en

dirección del avance y menor al 5% en dirección transversal6.

El propósito de orientar biaxialmente el material es que este gane resistencia al

impacto y que adquiera una resistencia adicional a la que ya tiene. La idea es

orientar la lámina en dirección de la máquina después de extruida con una

serie de rodillos y luego orientarla en dirección transversal. Después de esto

se enfría. Al terminar este proceso las cadenas moleculares que se

6 Moore, Edgard P. Jr. (1996). 9 Fabrication Process (p 334). Polypropylene Handbook: Polymerization, Characterization, Properties, Applications. Hanser/Gardner Publications Inc.

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encontraban antes enroscadas, al salir del dado de la extrusora se encuentran

ahora físicamente estiradas. Este fenómeno de cambio de forma molecular

permite que el un material muy rígido se vuelva flexible7 para poder

termoformar posteriormente.

2. Termoformado

Este es un proceso para dar forma a un termoplástico, primero se calienta una

preforma, que generalmente es una lámina obtenida por extrusión, a punto de

reblandecimiento, por encima de la temperatura de transición vítrea y por

debajo de su temperatura de derretimiento (temperaturas que se explican más

adelante en la sección 3.4) para luego ser deformada mediante fuerza en un

molde donde el material se enfría y adquiere su forma definitiva.

Las fuerzas que ayudan a dar forma a la lámina son una presión de formado y

una presión de vacío. En este caso se utiliza un macho ayudador, que

también ayuda a estirar la lámina caliente dentro del molde y a que se

distribuya el material uniformemente dentro del perfil del contenedor, aunque

este macho no distribuye la lámina completamente contra las paredes del

molde, solo la asienta para que la presión de formado y de vacío completen la

operación. Esta técnica del macho ayudador ofrece mejor uniformidad en las

paredes del envase termoformado de la que se podría obtener si solo se usara

presión, ya que el macho lleva material a las zonas donde seria muy delgado si

7 Florian, John (1987). Components of the thermoforming process (p32). Practical Thermoforming, Principles and Applications. Marcel Dekker Inc.

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solo se aplicara presión y estira el material en las zonas donde seria muy

gruesa la pared. La figura 5 ilustra el proceso en todas sus etapas.

Figura 5. Esquema del termoformado 1. Lámina sujetada, 2. Pre-estiramiento, 3. Formado, 4. Apertura del molde8

2.1. Variables de Termoformado

En esta sección se encuentran las variables de termoformado más importantes

para obtener envases. El resto de posibles variables (presión de vacío, entrada

y salida del macho ayudador, apertura del molde, etc.) se manejan como una

constante por lo que no se mencionan.

8 Florian, John (1987). Thermoforming Methods (p145). Practical Thermoforming, Principles and Applications. Marcel Dekker Inc.

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2.1.1. Temperatura de Lámina

Si la temperatura del material no es la adecuada puede ocurrir en la lámina un

fenómeno llamada desorientación. La orientación biaxial en el material es un

fenómeno físico donde se congelan las cadenas elongadas, y si el material es

expuesto a niveles muy elevados de calor, estas moléculas pueden regresar a

su forma original y se pierde el proceso de biorientación de la lámina. Es muy

importante tener control de la temperatura en el proceso de termoformado

porque las temperaturas de ablandamiento del material y de desorientación son

muy cercanas. Una lámina desorientada presenta problemas de

irregularidades excesivas en el espesor de lámina y fragilidad.

2.1.2. Presión De Formado

Se obtiene un mejor control de espesor de lámina si se tiene control sobre la

rigidización del material por tracción. Las mejores condiciones para esto se

dan cuando existe un comportamiento elástico del material y esto se logra al

aplicar rápidamente la carga de deformación, lo que significa aplicar rápido la

presión de formado que va a darle la forma a la lámina.

Si la presión de formado no es lo suficientemente grande como para dar una

velocidad aceptable para que el material tome la forma del molde antes de que

el material se desoriente, el producto final pierde las propiedades ganadas con

la biorentación antes mencionada.

IM-2006-II-23

17

Para poder tener presiones de formado grandes se necesitan moldes que

resistan las cargas causadas por esta presión. También es importante

mencionar la disponibilidad de potencia de la máquina para poder lograr

obtener las presiones deseadas.

En el caso del termoformado con macho ayudador la presión de formado debe

actuar en el momento preciso, de lo contrario no se logra dar la forma deseada

al material porque este se enfría muy rápido y no se aprovecha el

ablandamiento del material para que adopte la forma del molde. La lámina

debe caer libremente sobre el molde antes de aplicar la presión, y después de

que exista un buen sellamiento con el molde ahí si se debe aplicar la presión

para terminar de dar forma a la lámina.

2.1.3. Velocidad De Proceso

Esta variable determina el tiempo de cada una de las etapas del termoformado

de las que se hablará más adelante. Esta variable tiene mucho que ver con la

temperatura ya que entre más se demore el proceso la lámina se verá

expuesta un mayor tiempo al calor de las resistencias por lo que su

temperatura será mayor, lo mismo pasa al contrario si es menor el tiempo la

temperatura será menor.

IM-2006-II-23

18

3. Propiedades De Los Plásticos

En este capítulo se encuentra información acerca de las características y

propiedades de los plásticos más relevantes para este estudio y las que

brindan la pauta para saber que el material si es apto para el tipo de proceso

que se le va a dar: extrusión y posterior termoformado.

3.1. Peso Molecular

El peso molecular en un polímero esta definido como la suma de los pesos

atómicos de cada uno de los átomos en una molécula. En un polímero las

cadenas pueden ser largas o cortas, en el caso del polipropileno (CH3)n, y el

valor de n no es precisamente conocido por eso los valores de longitud de las

cadenas se tratan como una distribución de valores. La distribución de peso

molecular (DPM) es una cuenta del número de moléculas de cada peso

molecular. Esta DPM se puede interpretar como la varianza en la longitud de

cadenas del polímero, lo que se puede representar gráficamente como se

muestra en la figura 6. Una distribución angosta significa que las cadenas son

de tamaños parecidos, una distribución amplia implica cadenas largas y cortas

presentes en el material. El peso molecular se refiere al peso promedio de

moléculas de diferentes tamaños. El peso molecular promedio por numero Mn

es un método importante de caracterizar polímeros. La siguiente ecuación9 nos

da el Mn:

9 Strong, A.Brent (1996). Micro Structures In Polymers (p 72). Plastics: Materials and Processing. Prentice Hall Inc.

IM-2006-II-23

19

Frecuencia

Peso Molecular

∑ ∑=

i

iin N

NMM

Donde Mi es la masa molar de cada cadena y Ni es el numero de cadenas de

cada tamaño.

Figura 6. Distribuciones de peso molecular amplia y angosta10

La forma de la DPM y el peso molecular promedio pueden afectar

significativamente ciertas propiedades mecánicas del polímero como son la

resistencia a la tensión, al impacto, al creep y la temperatura de fusión. En

general un Mn mayor incrementa el valor de estas propiedades. La razón

principal es el entrecruzamiento de cadenas entre si. Un Mn alto implica un

mayor entrecruzamiento, y cuando esto ocurre significa una mayor resistencia

al deslizamiento entre cadenas, por lo que el polímero tendrá una mayor

resistencia mecánica y se necesitará una mayor energía para lograr que las

cadenas se deslicen fácilmente, lo que significa un mayor punto de fusión.

10 Strong, A.Brent (1996). Micro Structures In Polymers (p 74). Plastics: Materials and Processing. Prentice Hall Inc.

Distribución Amplia

Distribución Angosta

IM-2006-II-23

20

La amplia DPM del polipropileno 03H82NA es deseable en el proceso de

extrusión, las cadenas cortas se funden más rápido y sirven como lubricante

para ayudar al deslizamiento de las cadenas largas, reduciendo la cantidad de

energía necesaria para alcanzar el punto de fusión; las cadenas largas aun no

fundidas por su parte, brindan resistencia al material lo que evita que este

tenga rupturas al ser procesado. Gracias al alto peso molecular este material

tiene buena resistencia a altas temperaturas lo que es ideal en un proceso de

termoformado porque se puede estirar el material sin que este se rasgue.

3.2. Índice de Fluidez

Indicador de flujo para el material fundido. Se usa para comparar diferentes

grados dentro de un tipo polimérico. La tasa o índice de fluidez obtenida en la

extrusión no es una propiedad fundamental del polímero. Es un parámetro

empírico influenciado por propiedades físicas, la estructura molecular del

polímero y las condiciones de prueba.

La prueba básicamente se hace con un pistón y un cilindro, se introduce

material fundido a una determinada temperatura al cilindro y el pistón lleva una

carga que hace fluir el material a través de un dado (figura 7). Se mide el peso

del material que fluye por unidad de tiempo (g/10min)

IM-2006-II-23

21

Un índice de fluidez bajo significa un alto peso molecular y viceversa, su

relación no es lineal y es inversa11. En esencia el índice de fluidez se usa para

estimar la facilidad de derretimiento del polímero, lo que indica también su

facilidad de procesar. Tenemos entonces que bajos índices de fluidez indican

facilidad de derretimiento, menor energía requerida y alta procesabilidad del

polímero.

Figura 7. Esquema de la prueba del índice de fluidez.

El bajo índice de fluidez del polipropileno 03H82NA nos indica un alto peso

molecular, como indicado en la sección 3.2. Esto es muy importante para que

el material fundido pueda resistir la tensión a la que es sometido en el paso del

dado a los rodillos de la calandria, gracias a las cadenas largas aun no

fundidas en la masa de material caliente.

11 Strong, A. Brent (1996). Micro Structures In Polymers (p 79). Plastics: Materials and Processing. Prentice Hall Inc.

Peso

Pistón

Cilindro

Material Fundido

Dado

IM-2006-II-23

22

3.3. Cristalinidad

El grado de cristalinidad es gobernado principalmente por la tacticidad de la

cadena. La presencia del grupo metilo CH3 en el polipropileno permite la

formación de tres tipos distintos de PP, estos tres tipos de molécula varía en la

forma en que están distribuidos los grupos de metilo con respecto a la cadena y

son llamados stereoisómeros. La isotacticidad (figura 8 a.) es el resultado del

proceso de polimerización por adición, unión cabeza-terminal donde los grupos

de metilo (CH3) tienen siempre la misma configuración con respecto a la

cadena del polimero. Las cadenas sindiotácticas (figura 8 b.) resultan también

del proceso de adición cabeza-terminal, pero, el grupo metilo tiene una

configuración alternante con respecto a la cadena del polimero. Por ultimo la

atacticidad (figura 8 c.) ocurre cuando el grupo metilo se presenta en la cadena

sin orden y en secuencia totalmente aleatoria. Con un arreglo de cadena

isotáctico o sindiotáctico se pueden lograr grados de cristalinidad del 40% al

70%12.

12 Moore, Edgard P. Jr. (1996). 3 Structure and Morphology (p 115). Polypropylene Handbook: Polymerization, Characterization, Properties, Applications. Hanser/Gardner Publications Inc.

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23

= Carbón = Grupo Metilo = Hidrógeno

a) Isotáctica

b) Sindiotáctica

c) Atáctica

Figura 8. Ilustración de las configuraciones stereoquímicas del Polipropileno. a) Isotáctica, b) Sindiotáctica, c) Atáctica13

El PP homopolímero es el resultado de la polimerización por adición, donde

solo se unen monómeros propileno. Este PP presenta cristalinidad en su

estructura por su carácter isotáctico, por lo que es rígido y muy resistente. Para

poder obtener el arreglo regular de átomos para lograr la obtención de PP

isotáctico se utiliza un catalizador stereoregular como el Ziegler-Natta durante

el proceso de polimerización. Este tipo de catalizadores permite controlar la

longitud y forma del polímero.

13 Strong, A. Brent (1996). Thermoplastic Materials (p 168). Plastics: Materials and Processing. Prentice Hall Inc.

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24

El PP copolímero es una mezcla de diferentes monómeros, uno de estos es el

PP copolímero de impacto, donde esta presente el monómero etileno. Estas

uniones de etileno-propileno son de carácter elastomérico lo que le brindan alta

resistencia al impacto por la alta capacidad de absorber energía de estas

moléculas.

El polipropileno 03H82NA es en esencia semicristalino. En este caso tenemos

un arreglo isotáctico, lo que le brinda a este material su potencial

semicristalino14. El grado de cristalinidad de este polipropileno le da mayor

resistencia a la tensión ya que los átomos en las áreas cristalinas tienen gran

resistencia al movimiento. Sin embargo estas áreas cristalinas no son tan

efectivas a la hora de absorber y disipar energía porque los átomos no son tan

libres de moverse, rotar o trasladarse, esta restricción de movimiento vuelve el

material frágil.

3.4. Transiciones Térmicas En Los Plásticos

La temperatura juega un papel muy importante en las propiedades de los

plásticos. Es por eso que son muy importantes las distintas transiciones

térmicas y las temperaturas que determinan estas para el procesamiento de

estos materiales. Desde el punto de vista microscópico, un aumento en la

temperatura significa aumento de energía en las cadenas lo que se manifiesta

en el movimiento de los átomos en las moléculas. A mayores temperaturas las

14 Moore, Edgard P. Jr. (1996). 3 Structure and Morphology (p 115). Polypropylene Handbook: Polymerization, Characterization, Properties, Applications. Hanser/Gardner Publications Inc.

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25

moléculas ganan suficiente energía para volverse flexibles y rotar e inclusive a

mayores temperaturas las moléculas pueden trasladarse. Claro esta que el

efecto de la temperatura es distinto para los plásticos amorfos y para los

cristalinos. La figura 9 muestra estas transiciones para un plástico

semicristalino como lo es el caso del polipropileno. La temperatura a la cual las

propiedades del material cambian lo suficiente como para que no trabaje

adecuadamente es llamada la temperatura máxima de uso. Una prueba

conveniente para estimar esta temperatura es la de deflexión bajo carga,

donde una probeta es sumergida en un líquido térmicamente estable a las

temperaturas que va a ser usado y se le aplica una carga a la probeta. La

temperatura a la que la probeta se deflecta cierta distancia bajo esas

condiciones es llamada la temperatura de distorsión al calor (TDC). Esta

temperatura es altamente dependiente de la estructura, grados de cristalinidad

altos elevan esta temperatura.

Si la temperatura se eleva mas allá del TDC los polímeros amorfos ganan

suficiente energía para moverse considerablemente. Este punto se identifica

como la temperatura de transición vítrea (Tg). Debajo de esta temperatura el

plástico es duro y resistente, por encima es maleable. Lo que significa que

para aplicaciones estructurales el plástico debe estar por debajo de esta

temperatura (3/4 de Tg) y para procesarlo debe estar por encima de esta.

Una mayor adición de energía resulta en una movilidad mayor de las moléculas

y el material se derrite. Este punto es la temperatura de derretimiento (Tm). Si

se eleva más la temperatura, se llega al punto de degradación (Td) a esta

IM-2006-II-23

26

temperatura las uniones más débiles de las cadenas se rompen y las

propiedades mecánicas y físicas son seriamente alteradas y tienen una caída

precipitosa.

Para un plástico 100% cristalino no existe la Tg, para un plástico semicristalino

la Tg se aproxima bastante a la Tm y la proximidad entre las dos esta

determinada por el grado de cristalinidad, a mayor cristalinidad más cerca

estarán estas dos temperaturas y viceversa. Como se vio en la sección 3.1 un

mayor peso molecular eleva el valor de todas las temperaturas de transición en

un plástico.

Figura 9. Transiciones térmicas generales de los termoplásticos.15

15 Strong A. Brent (1996). Micro Structures In Polymers (p 121). Plastics: Materials and Processing. Prentice Hall Inc.

TdTDC Tg Tm

duro y rígido maleable, blando líquido

Td TDC Tm

duro y rígido líquido

Cristalino 100%

Amorfo

IM-2006-II-23

27

4. Procedimientos Experimentales

Este capitulo muestra las pruebas pertinentes para caracterizar el material y los

valores de las variables y parámetros que se van a tomar en cuenta para la

extrusión de laminas y para el posterior termoformado de estas y el

procedimiento para pruebas mecánicas de los envases.

4.1. Caracterización del material

Antes de empezar a procesar el material, es necesario conocer sus

propiedades físicas para verificar la viabilidad en la extrusión y en un posterior

termoformado. A continuación se muestran las pruebas típicas de

caracterización empleadas con el PP 03H82NA.

4.1.1. Densidad

Esta prueba esta regida por la norma ASTM D792 (Standard Test Method for

Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement),

método de ensayo B. Los materiales y equipos utilizados para esta prueba son

alcohol 2 propanol (densidad a 20ºC 0.7881 3cmg ) y la balanza Sartorious

Analytic modelo A210P con precisión de 0.1mg (figura 10).

IM-2006-II-23

28

Figura 10. Balanza Sartorius A210P.

Se pesa una probeta cúbica de 1cm de material (polipropileno 03H82NA) al

aire (A), luego se pesa la canastilla donde se va a colocar la probeta al aire

(W). Una vez obtenidos estos pesos se introduce la probeta en la canastilla y

esta se introduce en un envase con alcohol y se toma el peso de la canastilla

dentro del alcohol (B). Con estos pesos ya podemos calcular la densidad del

plástico con la siguiente formula16:

37881.0cm

gBWA

ADensidad ⋅−+

=

4.1.2. Indice de Fluidez

Esta prueba esta regida por la norma ASTM D1238 (Standard Test Method for

Melt Flow Rates of Thermoplastics by Extrusion Plastometer), método de

ensayo A. Los equipos utilizados para esta prueba son el plastómetro de

16 ASTM International (1983). ASTM D792 Standard Test Method for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement.

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29

extrusión Tinius Olsen WL-987 (figura 11), la balanza Sartorius Analytic modelo

A210P (figura 10) y una termocupla Fluye 52II (figura 11).

Figura 11. Plastometro de extrusión Tinius Olsen WL-987 y termocupla Fluke 52II (dispositivo amarillo).

Se introduce material (pellets) al barril (figura 10), donde se calienta el material

(230ºC). Luego con la ayuda de un émbolo y un peso (2.16kg) en este, se

impulsa el material fundido a través de un dado. Se mide el tiempo en que

tarda en fluir cierta cantidad de material y se toma el peso de esta cantidad.

Luego se pasa el índice de fluidez medido en g/s a g/10min.

4.1.3. Reología Capilar

Esta prueba esta regida por la norma ASTM D 3835 (Standard Test Method for

Rheological Properties of Thermoplastics with a Capillary Rheometer), método

de ensayo A. Los equipos usados para esta prueba son la máquina Instron

1122 con precisión de 0.223 N con celda de carga de 500kg, capilar de

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30

diámetro 1.27889±0.01534mm, longitud de 50.92192±0.00254mm y barril de

radio 9.525mm (figura 12).

Figura 12. Máquina Instron 1122.

Con esta prueba se puede conocer las propiedades reológicas del material. La

máquina Instron 1122 permite determinar el esfuerzo cortante y la razón de

corte al proporcionar datos de fuerza de corte en las paredes del tubo del

reómetro a distintas velocidades de flujo y temperaturas. Las ecuaciones17

para el esfuerzo cortante (τ en psi) y la razón de corte (γ& en s-1) son las

siguientes:

17 Instron Corporation. (1972). Manual Del Propietario Instron 1122. Instron Corporation PA USA.

C

CP d

LA

F

⋅⋅=

4τ

3

2

152

C

Pxh

ddV ⋅

⋅=γ&

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31

Donde F es la fuerza en el émbolo (lb), Ap es el área del émbolo (in2), dc es el

diámetro del capilar (in), dp es el diámetro del émbolo (in) y Vxh es la velocidad

del cabezal (in/min).

Para esta prueba pueden existir errores debidos a la fricción en el pistón, el

flujo de retorno del polímero y en la entrada del capilar. Para este último una

cierta cantidad de energía es requerida para transportar material desde el barril

del reómetro dentro del capilar pequeño. Esto causa que la caída de presión

en el capilar sea mayor de lo esperado justo desde el flujo estable en tubo del

mismo capilar. Este efecto a la entrada del capilar produce un error haciendo

que el esfuerzo cortante sea mayor en el tubo de lo que en realidad es. Este

efecto no es significativo para relaciones de longitud de capilar sobre diámetro

de capilar (Lc/dc) iguales o mayores a 40 18, para nuestro caso Lc/dc es

aproximadamente 40 y el equipo esta en buenas condiciones por lo que

descartamos estos errores en la medición.

4.2. Extrusión De Láminas

Para la extrusión de lámina se utiliza la extrusora Welex Ultima I, sistema

principal Extruder 5255 (figura 13), cuyas características principales están

comprendidas en la tabla 1. También se utiliza La calandria Welex (figuras 14,

15 y 16), cuyos rodillos principales junto con el dado de la extrusora dan el

espesor de lámina deseado y ayuda a enfriar y enrolla la lámina para su uso

posterior.

18 ASTM International (1983). ASTM D3835 Standard Test Method for Rheological Properties of Thermoplastics with a Capillary Rheometer.

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32

Diámetro Tornillo (mm) Flujo De Masa (kg/s)

Relación Diámetro: Longitud

50.8 1.22·10-4 1: 30

Tabla1. Características Principales Del Tornillo de la extrusora Welex Ultima I19

Figura 13. Tolva y parte del cilindro del sistema principal Extruder5255 de la extrusora Welex Ultima I.

Figura 14. Sistema de rodillos de la calandria Welex Ultima I.

19 Welex Inc. Manual Del Propietario Welex Ultima I. Welex Inc PA USA

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33

Figura 15. Rodillos Principales de La calandria Welex Ultima I.

Figura 16. Rollo de lámina al final de la calandria Welex Ultima I.

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34

Para la extrusión de láminas con 2 espesores distintos (1mm y 1.5mm) se usan

los parámetros de extrusión mostrados en las tablas 2, 3, 4 y 5. Estos se

controlan desde el tablero de mando del sistema de extrusión Welex Ultima I

(figura 17), se introducen al computador los valores deseados de temperatura

en cada sección de la extrusora, el valor de velocidad del tornillo y la presión.

Figura 17. Tablero de mando e indicadores de la extrusora.

Zona Ubicación Extrusora Principal Temperatura (ºC) 1 Entrada 180 2 Zona 2 190 3 Zona 3 200 4

Tornillo

Zona 4 210 5 CFiltr 225 6 T. Masa 225 7 MEstat 225 8 F. BF. 1 225 9 Bloque de Alimentación F. BF. 2 225

10 TCab. 1 215 11 TCab. 2 225 12 TCab. 3 205 13 BCab. 1 215 14 BCab. 2 225 15

Dado

BCab. 3 205 Tabla 2. Temperatura en cada zona de la extrusora principal20

20 Joya, Diego (2006). Extrusión De Láminas (p44). Optimización Del Proceso De Termoformado En Polipropileno Para Envases. Universidad De Los Andes.

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35

Calandria Temperatura (ºC)Rodillo Principal Superior 30 Rodillo Principal Central 40 Rodillo Principal Inferior 30

Tabla 3. Temperatura en cada uno de los rodillos principales de la calandria

Zona Presión (bar) P entrada 25

PEfiltr 83 PSfiltr 78

Tabla 4. Presión en cada zona de la extrusora principal

Zona Velocidad (rpm)Tornillo Extrusor 125

Tabla 5. Velocidad del tornillo de la extrusora principal

4.2.1. Prueba De Biorientación

La orientación de lámina es una variable importante como se explicó en

la sección 1.5.3. La prueba esta regida por la norma ASTM D1204

(Standard Test Method for Linear Dimensional Changes of Nonrigid

Thermoplastic Sheeting or Film at Elevated Temperature). Los equipos y

materiales utilizados para esta prueba son dos placas de metal

cuadradas con acoples de tornillos en cada esquina, un horno

Thermolyne (figura 18) y un calibrador digital (figura 19). Se introduce en

el horno, a una temperatura de 100ºC, un montaje de dos probetas

cuadradas de 10cm de lado de cada una de las láminas, rodeadas de

talco entre dos placas de metal (figura 20) durante una hora y luego de

enfriadas se toma su longitud transversal y paralela al sentido de

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36

extrusión para calcular la orientación de lámina con la siguiente

fórmula21:

Figura 18. Horno Thermolyne.

Figura 19. Calibrador Digital TS.

21 ASTM Internacional (1983). ASTM D1204 Standard Test Method for Melt Flow Rates of Thermoplastics by Extrusion Plastometer.

%100*% ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

inicial

inicialfinal

LLL

norientacióde

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37

Figura 20. Montaje para prueba de orientación de lámina.

4.3. Termoformado

Para el termoformado de los envases se utiliza la termoformadora ILLIG RDM

37/10 (figura 21). Cada ciclo de termoformado esta dividido por las siguientes

etapas:

• Transporte de lámina

• Cerramiento del molde (macho–hembra)

• Pre-estiramiento de lámina

• Inyección de aire de formado (presión de formado)

• Succión de aire (presión de vacío)

• Corte de la pieza

• Apertura del molde

• Expulsión de la pieza

IM-2006-II-23

38

La secuencia es dominada por el ciclo rotacional de una biela (una revolución).

Cada revolución se divide en 400 grados y la programación del termoformado

se da mediante asignación de grados de entrada y de salida de cada etapa, la

figura 22 muestra un esquema del ciclo.

Figura21. Termoformadora ILLIG RDM 37/10.

Figura 22. Esquema del ciclo (revolución) de termoformado22

22 Joya, Diego (2006). Termoformado (p32). Optimización Del Proceso De Termoformado En Polipropileno Para Envases. Universidad De Los Andes.

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39

La tabla 6 muestra los valores de temperatura de los calentadores, grados de

entrada y de salida para cada una de las etapas mencionadas anteriormente,

de las presiones y de la velocidad del proceso para obtener un producto final

de buena calidad. Estos valores es lo que consideramos el punto inicial del

experimento.

Espesor de Lámina 1mm 1.5mm Parámetro

Act. (º) Des. (º) Act. (º) Des. (º) Aire Formado 005 165 005 195

Macho Ayudador 390 215 390 050 Aire Enfriamiento 280 340 275 340

Aire Formado 280 340 280 340 Parada 300 350 300 350

Sujetadores Neumáticos 380 200 380 200 Velocidad Proceso

(ciclos/min) 13.7 13.7

Temp. Calentador Superior1 (ºC) Apagado Apagado

Temp. Calentador Superior2 (ºC) 380 410






Temp. Calentador Superior8 (ºC) Apagado Apagado

Temp. Calentador Inferior (ºC) 380 420

Presión de Formado (kPa) 400 400 Temperatura Molde (ºC) 20 20

Tabla 6. Valores de los parámetros de termoformado para espesores de lámina de 1mm y 1.5mm.23

23 Joya, Diego (2006). Parámetros de Termoformado de los Polipropilenos (p52). Optimización Del Proceso De Termoformado En Polipropileno Para Envases. Universidad De Los Andes.

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40

Figura 23. Tablero de mando e indicadores de la termoformadora ILLIG RDM 37/10. Los números indicados en la figura 23 corresponden al control de los siguientes

parámetros24:

1. Display indicador de la velocidad del proceso (ciclos/min.)

2. Aire de Formado, activación y desactivación (º)

3. Macho ayudador, activación y desactivación (º)

4. Aire de enfriamiento, activación y desactivación (º)

24 Illig, Adolf. Manual Del Propietario ILLIG RDM 37/10. Maschinenbeau GMBH&Co.

2 4

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41

5. Vaciado de aire entre lámina y hembra, activación y desactivación (º)

6. Posición de parada, activación y desactivación (º)

7. Sujetadores neumáticos, activación y desactivación (º)

8. Calentadores Superiores (del 1 al 4 arriba de izquierda a derecha, del 5

al 8 abajo de izquierda a derecha) en ºC

9. Calentador inferior en ºC

4.4. Compresión Axial De Envases

Para conocer el efecto de la ventana de operación en las propiedades del

producto final se hace una prueba de compresión axial de envases para cada

una de las pruebas de termoformado y se comparan con la prueba de

compresión axial para la referencia, es decir con los valores que aparecen en la

tabla 6, para los cuales Diego Joya en su tesis de maestría Optimización Del

Proceso De Termoformado En Polipropileno Para Envases, obtiene tiene un

producto de muy buena estabilidad dimensional. Para esta prueba se utiliza la

maquina Instron 5586. Las pruebas se hacen con una velocidad de

1.2mm/min. Se comprimen los envases hasta que colapse la pared cilíndrica

del envase, como se muestra en la figura 24.

IM-2006-II-23

42

Figura 24. Falla del envase en la prueba de compresión axial.

5. Resultados Experimentales

Este capítulo muestra los resultados de las pruebas de caracterización del

Polipropileno 03H82NA, de la extrusión de láminas y del termoformado de

estas. Con estos resultados se puede formular la ventana de operación del

proceso.

5.1. Caracterización del Material A continuación se muestran los resultados que se obtuvieron en las pruebas de

caracterización para el Polipropileno 03H82NA.

IM-2006-II-23

43

5.1.1. Resultados Prueba de Densidad

Material Densidad (g/cm3)

Desviación Estándar

Dato Hoja Técnica 25 (g/cm3)

PP 03H82NA 0.89 0.006 0.9 Tabla 7. Resultados Prueba de Densidad ASTM D792.

En el anexo 1 aparece una tabla donde se muestra el número de pruebas y sus

resultados. La tabla 7 muestra un promedio de estos.

5.1.2. Resultados Índice De Fluidez

Material Índice De Fluidez (g/10min)

Desviación Estándar

Dato Hoja Técnica 25 (g/10min)

PP 03H82NA 2.76 0,07 3.4 Tabla 8. Resultados Prueba de Índice de Fluidez ASTM1238.

La diferencia entre ambos datos es notoria (dato proporcionado por Propilco

S.A. es 1.2 veces más que el resultado de la prueba) lo que indica que este

material no tiene la especificación nominal de las hojas técnicas.

En el anexo 1 aparece una tabla donde se muestra el número de pruebas y sus

resultados. La tabla 8 muestra un promedio de estos.

25 Propilco S.A. (2006). Propilco-03H82NA. Recuperado el 15 de Enero de 2007en www.propilco.com.

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44

5.1.3 Resultados Reología Capilar

Reometría Capilar

1000

10000

100000

0,1 1 10 100 1000

Log Razón de Corte (1/s)

Log

Esf

uerz

o C

orta

nte

(Pa)

220ºC 03H82NA 240ºC 03H82NA 220ºC 03H82ND 240ºC 03H82ND

Figura 25. Reología capilar a 220ºC y 240ºC. Esfuerzo cortante en el PP 03H82NA y el PP 03H82ND26 a distintas velocidades de corte.

Reología Capilar

1000

10000

100000

0,1 1 10 100 1000

Log Razón De Corte (1/s)

Vis

cosi

dad

(Pa*

s)

220ºC 03H82NA 240ºC 03H82NA 220ºC 03H82ND 240ºC 03H82ND

Figura 26. Reología capilar a 220ºC y 240ºC. Viscosidad en el PP 03H82NA y el PP 03H82ND26 a distintas velocidades de corte. 26 Joya, Diego (2006), Resultado de la Reometría Capilar (p42). Optimización Del Proceso De Termoformado En Polipropileno Para Envases. Universidad De Los Andes.

IM-2006-II-23

45

Como se puede ver en las figuras 25 y 26 (valores de las pruebas en el anexo

1) el Polipropileno 03H82NA se comporta de manera muy similar al

polipropileno 03H82ND (material estudiado por Diego Joya en su tesis de

maestría Optimización Del Proceso De Termoformado En Polipropileno Para

Envases (valores de la prueba en el anexo 1)) a 240ºC desde el punto de vista

reológico, a 220ºC se observa una variación, pero es pequeña por lo que es

confiable usar los parámetros de la tabla 2 para la extrusión.

5.2. Resultados Extrusión De Láminas Los valores de espesor, peso y longitud de las láminas se pueden ver en la

tabla 9. El espesor se mide con el calibrador digital TS (figura 19) 5 veces a lo

largo de un tramo cada 10cm y se saca un promedio, lo mismo se hace con el

ancho (este se mide con un flexímetro zubi-ola). En el anexo1 se encuentra

una tabla con estos resultados. El peso de cada rollo es medido con la balanza

digital TOLEDO. La longitud se estima con el dato obtenido en la prueba de

densidad, con el espesor y el peso de lámina (tabla 9) con la siguiente

ecuación:

EspesorAnchoDensidadPesoLongitud

EspesorAnchoLongitudPeso

VolumenPesoDensidad

⋅⋅=⇒

⋅⋅==

IM-2006-II-23

46

Rollo Espesor (mm) Desviación Ancho

(cm) Desviación Peso (kg)

Longitud (m)

1 1.07 0.003 24.7 0.05 30.6 128.646 2 1.07 0.003 24.7 0.11 12.4 52.131 3 1.53 0.03 24.7 0.05 30 88.204 4 1.53 0.03 24.7 0.04 10.5 30.871

Tabla 9. Espesor, peso y longitud de cada lámina extruida.

Para lograr extruir las láminas se necesitaron aproximadamente 200kg de

material. Se tiene que tener en cuenta que la puesta a punto de la extrusora

consume gran cantidad de material (aproximadamente 40kg para cada espesor

de lámina).

5.2.1. Resultados Biorientación De Láminas

Espesor de Lámina Orientación 1.0 mm 1.5 mm Paralelo (%) -0,47 -0,37

Desviación Estándar 0,14 0,26 Perpendicular (%) -0,26 -0,17

Desviación Estándar 0,02 0,04 Tabla 10. Resultados prueba de orientación de lámina ASTM D1204

En el anexo 1 aparece una tabla con las pruebas realizadas y sus resultados.

La tabla 10 muestra un promedio de estos valores.

Generalmente las láminas biorientadas deben tener una orientación

balanceada en ambas direcciones (longitudinal y transversal) porque entre

mayor sea el distanciamiento entre estas dos direcciones de orientación,

mayores serán las dificultades para poder termoformar el material27.


IM-2006-II-23

47

5.3. Resultados Termoformado

En la figura 27 se puede observar como queda un envase al ser termoformado

con los parámetros de la tabla 6 para espesores de lámina 1.0mm y 1.5mm. A

simple vista se puede notar que el espesor de pared es homogéneo y no

existen irregularidades en apariencia notorias.

Figura 27. Envases termoformados de buena calidad y estabilidad dimensional para lámina de 1.0mm (izquierda) y 1.5mm (derecha). Parámetros de termoformado tabla 6.

5.3.1. Formulación De La Ventana De Operación

Para la ventana de operación del termoformado se hace un barrido de valores

de cada una de las variables mencionadas en la sección 2.1. y se dejan el resto

de parámetros y variables en el punto de partida (tabla 6). El criterio de la

determinación de la ventana de operación para cada una de las variables se

hace por inspección visual del envase termoformado. Se elevan y disminuyen

los valores de cada una de las variables dejando el resto de parámetros y de

variables en el punto de partida, hasta el punto en que las irregularidades de

IM-2006-II-23

48

apariencia del producto final sean notorias como lo muestra la figura 27. El

barrido de valores de la temperatura en los calentadores, la presión de formado

y la velocidad de proceso se hizo como se muestra en las tablas 11, 12, 13, 14,

15 y 16. La tabla 17 muestra el resultado del límite superior e inferior de los

valores de cada una de las variables.

Figura 28. Envases defectuosos para lámina de espesor 1.0mm (izquierda) y 1.5mm

(derecha).

IM-2006-II-23

49

Prueba 1 2 3 4 5 6

Espesor de lámina (mm) 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 Temp. calentador

superior 1 (ºC) Off Off Off Off Off Off

Temp. calentador superior 2 (ºC) 350 360 370 390 400 410






Temp. calentador superior 8 (ºC) Off Off Off Off Off Off

Temp. calentador inferior (ºC) 350 360 370 390 400 410

Tabla 11. Valores de temperatura para cada uno de los calentadores en cada una de las pruebas para espesor de lamina 1mm.

Prueba 1 2 3 4 5 Espesor de lámina (mm) 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5

Temp. calentador superior 1 (ºC) Off Off Off Off Off

Temp. calentador superior 2 (ºC) 390 400 420 430 440






Temp. calentador superior 8 (ºC) Off Off Off Off Off

Temp. calentador inferior (ºC) 400 410 430 440 450

Tabla 12. Valores de temperatura para cada uno de los calentadores en cada una de las pruebas para espesor de lamina 1.5mm.

IM-2006-II-23

50

Tabla 13. Valores para la presión de formado en cada una de las pruebas para espesor de lámina 1mm.

Tabla 14. Valores para la presión de formado en cada una de las pruebas para espesor de lámina 1.5mm

Prueba 1 2 3 Espesor de Lámina (mm) 1.0 1.0 1.0

Velocidad Del Proceso (ciclos/min) 11.7 12.4 14.8 Tabla 15. Valores para la velocidad del proceso en cada una de las pruebas para espesor de lámina 1mm.

Prueba 1 2 3 4 Espesor de Lámina (mm) 1.5 1.5 1.5 1.5

Velocidad Del Proceso (ciclos/min) 11.7 12.4 14.8 16.5 Tabla 16. Valores para la velocidad del proceso en cada una de las pruebas para espesor de lámina 1.5mm. .

Espesor de Lámina 1.0mm 1.5mm Variable Limite

Inferior Limite

Superior Limite Inferior

Limite Superior

Temperatura (ºC) 350 410 410 460 Presión de

Formado (kPa) 200 500 200 500

Velocidad del proceso

(ciclos/min) 11.7 14.8 11.7 16.5

Tabla 17. Limites inferior y superior de la ventana de termoformado para espesores de lámina de 1.0mm y 1.5mm.

Para el espesor de lámina de 1.5mm se puede ver que en la temperatura (tabla

12) los valores de cada uno de los calentadores varían. Entonces la ventana

de operación se formuló teniendo en cuenta el valor más alto en los

calentadores (calentadores 4 y 5 tabla 12). Las figuras 29 y 30 muestran la

representación gráfica del escenario de estabilidad del proceso de

termoformado con láminas de espesor 1.0mm y 1.5mm respectivamente.

Prueba 1 2 3 Espesor de lámina (mm) 1.0 1.0 1.0 Presión de formado (kPa) 200 300 500

Prueba 1 2 3 Espesor de lámina (mm) 1.5 1.5 1.5 Presión de formado (kPa) 200 300 500

IM-2006-II-23

51

Figura 29. Ventana de operación para espesor de lámina 1mm

La figura 29 muestra la ventana de operación para el termoformado con lámina

de espesor 1mm. Los puntos rojos muestran cada prueba que resultó con

estabilidad dimensional. Las superficies transparentes indican que el proceso

no puede salir de ese rango de valores porque la estabilidad dimensional del

envase es muy pobre fuera de este.

390

410

370

Temperatura (ºC)

350 360

380

400

11,7 12,4

13,7 14,8

200

300

400

500

Velocidad de Proceso (ciclos/min)

Presión De

Formado (kPa)

Ventana De Operación Espesor De Lámina 1.0mm

IM-2006-II-23

52

Figura 30. Ventana de operación para lámina de espesor 1.5mm

La figura 30 muestra la ventana de operación para el termoformado con lámina

de espesor 1.5mm. Los puntos rojos muestran cada prueba que resultó con

estabilidad dimensional. Las superficies transparentes indican que el proceso

no puede salir de ese rango de valores porque la estabilidad dimensional del

envase es muy pobre fuera de este.

12,4

410 420

430 440

450 460

11,7

13,7 14,8

16,5

200

400

300

500

Temperatura (ºC)


Presión De Formado

(kPa)

Ventana De Operación Espesor De Lámina 1.5mm

IM-2006-II-23

53

6. Efecto De La Ventana De Operación En Propiedades Mecánicas

A continuación se muestran los resultados de las pruebas de compresión axial

de envases. Las gráficas de los resultados de todas las pruebas se encuentran

en el anexo 2.

6.1. Curva De Prueba De Compresión Axial De Envases Para este tipo de envases el estado de carga más común es la compresión

(apilamiento de envases). La figura 31 muestra el resultado de una prueba de

compresión de envases, como se puede observar en estas curvas para este

tipo de materiales se encuentran dos pendientes representativas en el rango

elástico del material. La primera pendiente se encuentra en deformaciones

menores a 1mm y cargas menores a 0.05kN y se le denomina índice de

rigidez lineal 128. La segunda pendiente se encuentra en gran parte de la

curva en el rango elástico y se conoce como índice de rigidez lineal 229.

Además de estas pendientes también se tiene que resaltar el valor de máxima

carga en la curva. Este parámetro de la prueba es importante para determinar

las condiciones de carga a las que se puede someter el envase.

28 Joya, Diego (2006). Curva Típica Prueba Compresión Axial De Envases (p55, 56). Optimización Del Proceso De Termoformado En Polipropileno Para Envases. Universidad De Los Andes.

IM-2006-II-23

54

Prueba de Compresión Axial

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

Figura 31. Curva típica de la prueba de compresión axial de envases.

6.1.1. Indice De Rigidez Lineal 1

Con ayuda de una hoja de cálculo se linealizan los datos que pertenecen a la

primera pendiente (figura 31) y así se pueden comparar los índices de rigidez

lineal 1 de cada una de las muestras de cada prueba de termoformado (tablas

11, 12, 13, 14, 15 y 16). Las figuras 32, 33 y 34 muestran el índice de rigidez

lineal 1 para las pruebas con los cambios de temperatura, de presión de

formado y de velocidad del proceso para espesor de lámina de 1mm

respectivamente y las figuras 35, 36 y 37 para espesor de lámina de 1.5mm.

Las tablas 18, 19 y 20 muestran el valor de cada índice de rigidez lineal 1, su

porcentaje respecto a la referencia (tabla 10) y el punto de quiebre entre la

pendiente 1 y 2 (o punto donde termina la primera pendiente) para temperatura,

presión de formado y velocidad del proceso para espesor de lámina de 1mm

respectivamente y las tablas 21, 22 y 23 para espesor de lámina de 1.5mm.

1

2

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55

Indice De Rigidez Lineal 1 Para Temperatura Lámina De Espesor 1mm

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

Lineal (350ºC) Lineal (360ºC) Lineal (370ºC)Lineal (Referencia (380ºC)) Lineal (390ºC) Lineal (400ºC)Lineal (410ºC)

Figura 32. Gráfica de índice de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de temperatura con lámina de espesor de 1mm.

Temperatura (ºC)

Punto De Quiebre

(mm) Indice De Rigidez Lineal 1 (kN/mm)

% Respecto Referencia

350 0,55 0,013 27 360 0,42 0,018 38 370 0,3 0,031 65

380 Ref. 0,33 0,048 100 390 0,39 0,053 110 400 0,29 0,036 76 410 1,14 0,010 21

Tabla 18. Indices de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de temperatura con espesor de lámina de 1mm, porcentaje respecto a la referencia y punto de quiebre.

IM-2006-II-23

56

Indice De Rigidez Lineal 1 Para Presión De Formado Lámina De Espesor 1mm

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

Lineal (200kPa) Lineal (300kPa) Lineal (Referencia (400kPa)) Lineal (500kPa)

Figura 33. Gráfica de índice de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de presión de formado con lámina de espesor de 1mm.

Presión De Formado

(kPa)

Punto De Quiebre

(mm) Indice De Rigidez Lineal 1

(kN/mm) % Respecto Referencia

200 2,42 0,005 10 300 0,5 0,016 34

400 Ref. 0,33 0,048 100 500 0,32 0,057 119

Tabla 19. Indices de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de presión de formado con espesor de lámina de 1mm, porcentaje respecto a la referencia y punto de quiebre.

IM-2006-II-23

57

Indice De Rigidez Lineal 1 Para Velocidad De Proceso Lámina De Espesor 1mm

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

Lineal (11.7ciclos/min) Lineal (12.4ciclos/min)Lineal (Referencia (13.7ciclos/min)) Lineal (14.8ciclos/min)

Figura 34. Gráfica de índice de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con lámina de espesor de 1mm.

Velocidad De Proceso

(ciclos/min)

Punto De Quiebre



11,7 0,23 0,043 89 12,4 0,56 0,028 58

13,7 Ref. 0,33 0,048 100 14,8 0,52 0,035 72

Tabla 20. Indices de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con espesor de lámina de 1mm, porcentaje respecto a la referencia y punto de quiebre.

IM-2006-II-23

58

Indice De Rigidez Lineal 1 Para Temperatura Lámina de Espesor de 1.5mm

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

Lineal (410ºC) Lineal (420ºC) Lineal (Referencia(430ºC))Lineal (440ºC) Lineal (450ºC) Lineal (460ºC)

Figura 35. Gráfica de índice de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de temperatura con lámina de espesor de 1.5mm. Temperatura

(ºC) Punto de

Quiebre (mm) Indice De Rigidez Lineal 1 (kN/mm)


410 0,94 0,013 10 420 0,41 0,087 65

430 Ref. 0,32 0,133 100 440 0,4 0,052 39 450 2,54 0,0045 3 460 1,14 0,004 3

Tabla 21. Indices de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de temperatura con espesor de lámina de 1.5mm, porcentaje respecto a la referencia y punto de quiebre.

IM-2006-II-23

59

Indice De Rigidez Lineal 1 Para Presión De Formado Lámina de Espesor 1.5mm

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)


Figura 36. Gráfica de índice de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de presión de formado con lámina de espesor de 1.5mm.

Presión De Formado (kPa)

Punto De Quiebre



200 2,82 0,018 13 300 1,72 0,008 6

400 Ref. 0,32 0,133 100 500 0,29 0,042 32

Tabla 22. Indices de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de presión de formado con espesor de lámina de 1.5mm, porcentaje respecto a la referencia y punto de quiebre.

IM-2006-II-23

60

Indice De Rigidez Lineal 1 Para Velocidad De Proceso Lámina De Espesor 1.5mm

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

Lineal (11.7 ciclos/min) Lineal (12.4 ciclos/min)Lineal (Referencia (13.7 ciclos/min)) Lineal (14.8 ciclos/min)Lineal (16.5 ciclos/min)

Figura 37. Gráfica de índice de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con lámina de espesor de 1.5mm.


(ciclos/min) Punto De

Quiebre (mm)Indice De Rigidez Lineal 1

(kN/mm) %Respecto Referencia

11,7 0,48 0,028 21 12,4 0,66 0,024 18

13,7 Ref. 0,32 0,133 100 14,8 0,39 0,051 38 16,5 1,22 0,028 21

Tabla 23. Indices de rigidez lineal 1 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con espesor de lámina de 1.5mm, porcentaje respecto a la referencia y punto de quiebre.

Las figuras 38 y 39 muestran una comparación del índice de rigidez lineal 1

entre la referencia y las demás pruebas de temperatura para espesor de lámina

de 1mm y 1.5mm. Las figuras 40 y 41 muestran la comparación para índice de

IM-2006-II-23

61

rigidez lineal 1 para el caso ideal en ambos espesores y las demás pruebas

para presión de formado y velocidad de proceso.

Indice De Rigidez Lineal 1 Para Pruebas De TemperaturaLámina de Espesor 1mm

0,000

0,020

0,040

0,060

0,080

0,100

0,120

0,140

350 360 370 380(referencia)

390 400 410

Temperatura (ºC)

Indi

ce D

e R

igid

ez L

inea

l 1 (k

N/m

m)

Figura 38. Valores del índice de rigidez lineal 1 para las pruebas de temperatura. Espesor de lámina 1mm.

Indice De Rigidez Lineal 1 Para Pruebas De Temperatura Lámina De Espesor 1.5mm

0,000

0,020

0,040

0,060

0,080

0,100

0,120

0,140

410 420 430(referencia)

440 450 460

Temperatura (ºC)

Indi

ce D

e R

igid

ez L

inea

l 1 (k

N/m

m)

Figura 39. Valores del índice de rigidez lineal 1 para las pruebas de temperatura. Espesor de lámina 1.5mm.

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62

Comparación Indice De Rigidez Lineal 1 Para Presión De Formado

0,000

0,020

0,040

0,060

0,080

0,100

0,120

0,140

200 300 400(referencia) 500


Indi

ce D

e R

igid

ez L

inea

l 1

1mm1.5mm

Figura 40. Gráfica comparativa del índice de rigidez lineal 1 para presión de formado en los dos espesores de lámina.

Comparación Indice De Rigidez Lineal 1 Para Velocidad De Proceso

0,000

0,020

0,040

0,060

0,080

0,100

0,120

0,140

11,7 12,4 13,7(referencia)

14,8 16,5

Velocidad De Proceso (ciclos/min)

Indi

c D

e R

igid

ez L

inea

l 1 (k

N/m

m)

1mm1.5mm

Figura 41. Gráfica comparativa del índice de rigidez lineal 1 para velocidad de proceso en los dos espesores de lámina.

IM-2006-II-23

63

Figura 42. Rangos de índice de rigidez lineal 1 para cada prueba de termoformado para espesor de lámina 1mm. Las figuras 42 y 43 muestran el rango de valores para el índice de rigidez lineal

1 donde se encuentra cada prueba de termoformado para el espesor de lámina

de 1mm y 1.5mm respectivamente.

0,005-0,01 0,01-0,02 0,02-0,03 0,03-0,04 0,04-0,05 0,05-0,06 desde – sin incluir

Indice De Rigidez Lineal 1 (kN/mm)

410

370

Temperatura (ºC)

350 360

380

400

11,7 12,4

13,7 14,8

200

300

400

500


Presión De

Formado (kPa)

390

Ventana De Operación Espesor De Lámina 1mm

IM-2006-II-23

64

Figura 43. Rangos de índice de rigidez lineal 1 para cada prueba de termoformado para espesor de lámina 1.5mm.


Con ayuda de una hoja de cálculo se linealizan los datos que pertenecen a la

segunda pendiente (figura 31) y así poder comparar los índices de rigidez lineal

2 de cada una de las muestras de cada prueba de termoformado (tablas 11, 12,

13, 14, 15 y 16). Las figuras 44, 45 y 46 muestran la pendiente para el índice

de rigidez lineal 2 para pruebas de temperatura, presión de formado y

velocidad de proceso para espesor de lámina de 1mm respectivamente y las

410 420

430 440

450 460

11,7

13,7 14,8

16,5

200

400

300

500

Temperatura (ºC)


Presión De Formado

(kPa)

0,04-0,08 0,01-0,02 0,02-0,03 0,04-0,06 desde – sin incluir


0,08-0,09

12,4

0,13-0,135

Ventana De Operación Espesor De Lámina 1,5mm

IM-2006-II-23

65

figuras 47, 48 y 49 para espesor de lámina de 1.5mm. Las tablas 24, 25 y 26

muestran el índice de rigidez lineal 2, su porcentaje con respecto a la referencia

(tabla 6) y el punto donde termina la pendiente 2 (punto terminal), para las

pruebas con los cambios de temperatura, de presión de formado y de velocidad

del proceso para espesor de lámina de 1mm respectivamente y las tablas 27,

28 y 29 para espesor de lámina de 1.5mm.

Indice De Rigidez Lineal 2 Para Temperatura Espesor De Lámina 1mm

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,3 0,8 1,3 1,8 2,3 2,8 3,3 3,8 4,3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

Lineal (350ºC) Lineal (360ºC) Lineal (370ºC)Lineal (Referencia (380ºC)) Lineal (390ºC) Lineal (400ºC)Lineal (410ºC)

Figura 44. Gráfica de índice de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de temperatura con lámina de espesor de 1mm.

Temperatura (ºC)

Punto Terminal


(kN/mm) % Respecto

Ideal

350 1,59 0,021 16 360 1,51 0,067 51 370 1,68 0,077 58

380 Ref. 1.28 0,132 100 390 1,99 0,106 80 400 4,29 0,059 45 410 2,76 0,014 11

Tabla 24. Indices de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de temperatura con espesor de lámina de 1mm, porcentaje respecto a la referencia y punto terminal.

IM-2006-II-23

66

Indice de Rigidez 2 Para Presión De Formado Lámina De Espesor 1mm

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3 0,8 1,3 1,8 2,3 2,8 3,3 3,8

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)


Figura 45. Gráfica de índice de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de presión de formado con lámina de espesor de 1mm.


Punto Terminal



200 3,97 0,070 53 300 2,11 0,124 94

400 Ref. 1,28 0,132 100 500 1,57 0,122 92

Tabla 25. Indices de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de presión de formado con espesor de lámina de 1mm, porcentaje respecto a la referencia y punto terminal.

IM-2006-II-23

67

Indice De Rigidez Lineal 2 Para Velocidad De Proceso Lámina De Espesor 1mm

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,25 0,75 1,25 1,75 2,25 2,75

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

Lineal (11.7 ciclos/min) Lineal (12.4 ciclos/min)Lineal (Referencia (13.7ciclos/min)) Lineal (14.8 ciclos/min)

Figura 46. Gráfica de índice de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con lámina de espesor de 1mm.


(ciclos/min) Punto

Terminal (mm)Indice De Rigidez Lineal 2


11,7 2,48 0,104 78 12,4 2,26 0,102 77

13,7 Ref. 1,28 0,132 100 14,8 1,91 0,075 56

Tabla 26. Indices de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con espesor de lámina de 1mm, porcentaje respecto a la referencia y punto terminal.

IM-2006-II-23

68

Indice De Rigidez Lineal 2 Para Temperatura Lámina De Espesor 1.5mm

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,3 0,8 1,3 1,8 2,3 2,8 3,3 3,8 4,3 4,8 5,3 5,8

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

Lineal (410 ºC) Lineal (420 ºC) Lineal (Referencia (430ºC))Lineal (440ºC) Lineal (450ºC) Lineal (460ºC)

Figura 47. Gráfica de índice de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de temperatura con lámina de espesor de 1.5mm.

Temperatura (ºC)

Punto Terminal



410 2,24 0,072 27 420 1,96 0,121 45

430 Ref. 2,13 0,265 100 440 1,12 0,144 54 450 5,54 0,157 59 460 4,38 0,187 80

Tabla 27. Indices de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de temperatura con espesor de lámina de 1.5mm, porcentaje respecto a la referencia y punto terminal.

IM-2006-II-23

69

Indice De Rigidez Lineal 2 Para Presión De Formado Espesor De Lámina 1.5mm

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,3 0,8 1,3 1,8 2,3 2,8 3,3 3,8 4,3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)


Figura 48. Gráfica de índice de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de presión de formado con lámina de espesor de 1.5mm.


Punto Terminal



200 4,02 0,173 65 300 3,12 0,206 78

400 Ref. 1,12 0,265 100 500 3,71 0,118 44

Tabla 28. Indices de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de presión de formado con espesor de lámina de 1.5mm, porcentaje respecto a la referencia y punto terminal.

IM-2006-II-23

70

Indice De Rigidez Lineal 2 Para Velocidad De Proceso Lámina De Espesor 1.5mm

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,3 0,8 1,3 1,8 2,3 2,8 3,3 3,8

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

Lineal (11.7 ciclos/min) Lineal (12.4 ciclos/min)Lineal (Referencia (13.7ciclos/min)) Lineal (14.8 ciclos/min)Lineal (16.5 ciclos/min)

Figura 49. Gráfica de índice de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con lámina de espesor de 1.5mm.


(ciclos/min)

Punto Terminal


(kN/mm) % Respecto

Ideal

11,7 3,71 0,179 67 12,4 3,26 0,151 57

13,7 Ref. 1,12 0,241 100 14,8 1,94 0,144 54 16,5 2,28 0,041 15

Tabla 29. Indices de rigidez lineal 2 para cada muestra de prueba de velocidad de proceso con espesor de lámina de 1.5mm, porcentaje respecto a la referencia y punto terminal.

En Las gráficas de la sección 6.1.2 (figuras 44 a la 49), los intervalos donde se

estima el índice de rigidez lineal 2 para cada variable de termoformado no son

los mismos, se muestra desde el punto en donde empieza hasta donde

IM-2006-II-23

71

termina. El anexo 2 muestra todas las curvas de cada una de las pruebas de

compresión que fueron realizadas.

Las figuras 50 y 51 muestran una comparación del índice de rigidez lineal 2

entre el caso referencia y las demás pruebas de temperatura para espesor de

lámina de 1mm y 1.5mm respectivamente. Las figuras 52 y 53 muestran la

comparación para índice de rigidez lineal 2 para el caso referencia en ambos

espesores y las demás pruebas para presión de formado y velocidad de

proceso.

Indice De Rigidez Lineal 2 Para Pruebas De Temperatura Espesor De Lámina 1mm

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

350 360 370 380(Referencia)

390 400 410

Temperatura (ºC)

Indi

ce D

e R

igid

ez L

inea

l 2 (k

N/m

m)

Figura 50. Valores del índice de rigidez lineal 2 para las pruebas de temperatura. Espesor de lámina 1mm.

IM-2006-II-23

72

Indice De Rigidez Lineal 2 Para Pruebas De Temperatura Espesor De Lámina 1.5mm

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

410 420 430(Referencia)

440 450 460

Temperatura (ºC)

Indi

ce D

e R

igid

ez L

inea

l 2 (k

N/m

m)

Figura 51. Valores del índice de rigidez lineal 2 para las pruebas de temperatura. Espesor de lámina 1.5mm.

Comparación Indice De Rigidez Lineal 2 Para Presión De Formado

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

200 300 400 (Referencia) 500


Indi

ce D

e Ri

gide

z Li

neal

2 (k

N/m

m)

1mm1.5mm

Figura 52. Gráfica comparativa del índice de rigidez lineal 2 para presión de formado en los dos espesores de lámina.

IM-2006-II-23

73

Comparación Indice De Rigidez Lineal 2 Para Velocidad De Proceso

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

11,7 12,4 13,7(Referencia)

14,8 16,5


Indi

ce D

e R

igid

ez L

inea

l 2 (k

N/m

m)

1mm1.5mm

Figura 53. Gráfica comparativa del índice de rigidez lineal 2 para presión de formado en los dos espesores de lámina. Las figuras 54 y 55 muestran el rango de valores para el índice de rigidez lineal

2 donde se encuentra cada prueba de termoformado para el espesor de lámina

de 1mm y 1.5mm respectivamente.

IM-2006-II-23

74

Figura 54. Rangos de índice de rigidez lineal 2 para cada prueba de termoformado para espesor de lámina 1mm.

0,01-0,03 0,03-0,06 0,06-0,09 0,09-0,12 0,12-0,15 desde – sin incluir


410

370

Temperatura (ºC)

350 360

380

400

11,7 12,4

13,7 14,8

200

300

400

500


Presión De

Formado (kPa)

390


IM-2006-II-23

75

Figura 55. Rangos de índice de rigidez lineal 2 para cada prueba de termoformado para espesor de lámina 1.5mm.

6.1.3. Fuerza Máxima En Pruebas De Compresión Axial Las tablas 30, 31 y 32 muestran los valores máximos de fuerza y deformación

alcanzados en cada una de las pruebas de temperatura, presión de formado y

velocidad de proceso para espesor de lámina de 1mm respectivamente y las

tablas 33, 34, y 35 para espesor de lámina de 1.5mm.

410 420

430 440

450 460

11,7

13,7 14,8

16,5

200

400

300

500

Temperatura (ºC)


Presión De Formado

(kPa)



0,26-0,27


12,4

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76

Temperatura (ºC)

Fuerza Máx. (kN)

% Respecto Fmax Referencia

Deformación Máx. (mm)

% Respecto Def.max

Referencia 350 0,041 26 6,25 250 360 0,086 55 2,44 98 370 0,118 75 2,48 99

380 Ref. 0,157 100 2,5 100 390 0,205 131 3,11 124 400 0,268 171 5 200 410 0,056 36 6,32 253

Tabla 30. Valores de fuerza máxima alcanzada en cada prueba de compresión axial para temperatura con espesor de lámina de 1mm y porcentaje con respecto a la referencia.

Presión De Formado

(kPa) Fuerza

Máx. (kN) % Respecto

Fmax Referencia


% Respecto Def.max

Referencia 200 0,136 87 5,89 236 300 0,198 126 2,51 100

400 Ref. 0,157 100 2,5 100 500 0,173 110 1,92 77

Tabla 31. Valores de fuerza máxima alcanzada en cada prueba de compresión axial para presión de formado con espesor de lámina de 1mm y porcentaje con respecto a la referencia. Velocidad De

Proceso (ciclos/min)

Fuerza Máx. (kN)

% Respecto Fmax

Referencia Deformación

Máx. (mm) % Respecto

Def.max Referencia

11,7 0,253 161 2,73 109 12,4 0,194 124 2,6 104

13,7 Ref. 0,157 100 2,5 100 14,8 0,185 118 3,15 126

Tabla 32. Valores de fuerza máxima alcanzada en cada prueba de compresión axial para velocidad de proceso con espesor de lámina de 1mm y porcentaje con respecto a la referencia.

IM-2006-II-23

77

Temperatura (ºC)

Fuerza Máx. (kN)

% Respecto Fmax

Referencia Deformación

Máx. (mm) % Respecto

Def.max Referencia

410 0,137 44 4,99 250 420 0,23 75 2,72 136

430 Ref. 0,308 100 2 100 440 0,267 87 2,61 131 450 0,518 168 6,47 324 460 0,611 198 4,92 246

Tabla 33. Valores de fuerza máxima alcanzada en cada prueba de compresión axial para temperatura con espesor de lámina de 1.5mm y porcentaje con respecto a la referencia.

Presión De Formado

(kPa) Fuerza

Máx. (kN) % Respecto

Fmax Referencia


% Respecto Def.max

Referencia 200 0,272 88 4,8 240 300 0,314 102 3,81 191

400 Ref. 0,308 100 2 100 500 0,49 159 4,53 227

Tabla 34. Valores de fuerza máxima alcanzada en cada prueba de compresión axial para presión de formado con espesor de lámina de 1.5mm y porcentaje con respecto a la referencia.


(ciclos/min) Fuerza Máx.

(kN) % Respecto

Fmax Referencia


% Respecto Def.max

Referencia 11,7 0,632 205 4,04 202 12,4 0,448 146 3,75 188

13,7 Ref. 0,308 100 2 100 14,8 0,241 78 2,25 113 16,5 0,141 46 6,42 321

Tabla 35. Valores de fuerza máxima alcanzada en cada prueba de compresión axial para velocidad de proceso con espesor de lámina de 1.5mm y porcentaje con respecto a la referencia.

IM-2006-II-23

78

Fuerza Máxima De Compresión Para Pruebas De Temperatura Espesor De Lámina 1mm

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

350 360 370 380(Referencia)

390 400 410

Temperatura (ºC)

Fuer

za (k

N)

Figura 56. Valores de fuerza máxima de compresión para las pruebas de temperatura. Espesor de lámina 1mm.

Fuerza Máxima De Compresión Para Pruebas De Temperatura Lámina De Espesor1.5 mm

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

410 420 430(Referencia)

440 450 460

Temperatura (ºC)

Fuer

za (k

N)

Figura 57. Valores de fuerza máxima de compresión para las pruebas de temperatura. Espesor de lámina 1.5mm.

IM-2006-II-23

79

Comparación Fuerza Máxima De Compresión Para Pruebas De Presión De Formado Espesores De Lámina 1mm y 1.5mm

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

200 300 400 (Referencia) 500

Presión De Formado(kPa)

Fuer

za (k

N)

1mm1.5mm

Figura 58. Gráfica comparativa de la fuerza máxima de compresión para presión de formado en los dos espesores de lámina.

Comparación Fuerza Máxima De Compresión Para Velocidad De Proceso Láminas De Espesor 1mm y 1.5mm

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

11,7 12,4 13,7(Referencia)

14,8 16,5


Fuer

za (k

N)

1mm1.5mm

Figura 59. Gráfica comparativa de la fuerza máxima de compresión para velocidad de proceso en los dos espesores de lámina.

IM-2006-II-23

80

Las figuras 56 y 57 muestran una comparación entre la fuerza máxima de

compresión alcanzada en cada una de las pruebas y el caso referencia para

temperatura para espesor de lámina de 1mm y 1.5mm respectivamente. Las

figuras 58 y 59 muestran esta misma comparación para las pruebas de presión

de formado y velocidad de proceso en ambos espesores.

Figura 60. Rangos de fuerza máxima de compresión para cada prueba de termoformado para espesor de lámina 1mm.

0,04-0,08 0,08-0,12 0,12-0,16 0,16-0,20 0,20-0,24 0,24-0,26 desde – sin incluir

Fuerza Máxima De Compresión (kN)

410

370

Temperatura (ºC)

350 360

380

400

11,7 12,4

13,7 14,8

200

300

400

500


Presión De

Formado (kPa)


390

IM-2006-II-23

81

Figura 61. Rangos de fuerza máxima de compresión para cada prueba de termoformado para espesor de lámina 1.5mm. Las figuras 60 y 61 muestran el rango de fuerza máxima de compresión para

cada prueba de termoformado para el espesor de lámina de 1mm y 1.5mm

respectivamente.

410 420

430 440

450 460

11,7

13,7 14,8

16,5

200

400

300

500

Temperatura (ºC)


Presión De Formado

(kPa)


Fuerza Máxima De Compresión (kN)

0,6-0,7

12,4


IM-2006-II-23

82

7. Análisis De Resultados

Este capítulo contiene un análisis de los resultados de toda la experimentación,

empezando con la caracterización del PP 03H82NA y por último con el efecto

de la ventana de operación en las propiedades mecánicas del envase.

7.1. Caracterización Del Material

La prueba de índice de fluidez deja claro que el PP 03H82NA tiene buena

procesabilidad, su bajo valor de 2.7 g/10min brinda confianza en el momento

de la extrusión. La reología capilar demuestra que el material tiene buena

fluidez a la velocidad de extrusión de 125 rpm y que las temperaturas de

trabajo (tabla 2) son adecuadas para el proceso.

7.2. Extrusión De Lámina

Las láminas que resultaron del proceso tienen un acabado superficial

excelente. Su baja orientación en ambos sentidos (paralelo a la extrusión y

perpendicular), que fue menos del 5%, nos asegura éxito en el termoformado29,

ya que no van a haber esfuerzos residuales que causen irregularidades

geométricas en el momento de calentar la lámina, causados por orientación

excesiva (mayor al 10%).


IM-2006-II-23

83

7.3. Ventana De Termoformado

Para el espesor de lámina de 1mm se puede ver que permite un rango más

amplio de temperatura que para el espesor de 1.5mm, por ser un 50% más

gruesa la lámina requiere de mayores temperaturas para poder ser procesada,

lo que significa que no puede alcanzar temperaturas tan altas porque esta más

cerca de la temperatura de derretimiento donde el proceso ya no sirve. Para

temperaturas debajo del caso ideal su valor no puede ser tan inferior porque

entonces la lámina ya no alcanza a estar a una temperatura suficiente para que

pueda ser termoformada adecuadamente.

Para la presión de formado el rango de valores para ambos espesores es el

mismo. Esta variable no permite un margen amplio de valores lo que recalca la

importancia de esta en el proceso. La uniformidad en los espesores de pared

del envase es esencial y esta variable es tal vez la más importante para que se

tenga dicha uniformidad. Es por eso que no se puede tener una variación muy

grande de la presión de formado.

Para la velocidad de proceso el rango de valores es mayor para el espesor de

1.5mm que para el de 1mm. Como se menciona en la sección 2.1.3 esta

variable esta muy ligada con la temperatura, como la lámina de 1.5mm de

espesor necesita mayores temperaturas, este espesor permite entonces un

mayor rango en velocidad de proceso al reblandecer lo suficiente la lámina

como para que la entrada del macho y la presión de formado puedan ser

aplicadas por menos tiempo y el envase aun quede con estabilidad dimensional

aceptable.

IM-2006-II-23

84

7.4. Efectos De La Ventana En Las Propiedades Mecánicas

Para poder determinar si el envase tiene la resistencia suficiente para cierta

aplicación se debe tener en cuenta el índice de rigidez lineal 1 y 2 y la fuerza

máxima que resiste el envase. Para el índice de rigidez lineal 1, en algunos

casos los datos de las curvas son muy dispersos entonces la aproximación

lineal no es tan confiable (R2<0.98), esto debido a que en este rango, en ciertos

casos, existe una pequeña luz entre el envase y el terminal de la máquina

compresora (figura 24) entonces indicará desplazamiento con fuerza cero; en

otros casos existe mucho ruido en la medición. Para el índice de rigidez lineal

2 los datos ya no son dispersos y las aproximaciones son muy buenas

(R2>0.98). Es por esto que para tener un buen desempeño del envase se tiene

que tener en cuenta estos dos parámetros y la fuerza máxima que resiste el

envase bajo compresión.


Como se puede ver en la figura 32 y la tabla 18, para el espesor de lámina de

1mm, hay un incremento en el valor del índice de rigidez lineal 1 con respecto a

la referencia para la prueba de compresión de temperatura a 390ºC,

inmediatamente mayor a la referencia (380ºC), pero el comportamiento general

es el de disminuir su valor a medida que la temperatura se aleja de la

referencia. La figura 35 y la tabla 21 muestran, para el espesor de lámina

1.5mm, que el índice de rigidez lineal 1 disminuye su valor a medida que el

valor de la temperatura se aleja de la referencia (430ºC). Para la lámina de

1mm de espesor es más constante este cambio mientras que en la lámina de

IM-2006-II-23

85

espesor 1.5mm se puede ver como esta propiedad disminuye dramáticamente

en el límite superior de la ventana (460ºC). Esto se debe a que la temperatura

en este punto es muy alta y altera seriamente esta propiedad mecánica del

envase lo que se ve reflejado en una disminución tan grande del índice de

rigidez lineal 1. Se puede ver que para temperaturas de 450ºC y 460ºC para

espesor de lámina 1.5mm, los valores de este índice de rigidez son muy bajos,

0.0045kN/mm y 0.004kN/mm respectivamente.

Para las pruebas de presión de formado (figura 40, tablas 19 y 22), se puede

ver que existe una tendencia al incremento del valor del índice de rigidez lineal

1 a medida que crece la presión de formado, siendo incluso mayor el valor para

la presión de 500kPa que para la de 400kPa que es la referencia, un 19% más

que el valor de 400kPa. Para el espesor de lámina de 1.5mm se puede ver que

por encima y por debajo de la referencia (400kPa), la disminución del índice de

rigidez lineal 1 es muy pronunciada, llegando a ser tan solo el 6% del valor del

índice de rigidez lineal 1 para la prueba referencia en los 300kPa de presión de

formado. Para la prueba de 500kPa el índice de rigidez es el 32% del valor del

índice de rigidez lineal 1 para la prueba referencia. Lo anterior sugiere que es

mejor estar por encima que por debajo del valor referencia de la presión de

formado para ambos espesores, en cuanto a lo que el índice de rigidez lineal 1

se refiere.

Para las pruebas de velocidad de proceso (figura 41, tablas 20 y 23), para el

espesor de lámina de 1.0mm, se puede apreciar que el índice de rigidez lineal

1 diminuye por encima y por debajo del valor ideal (tabla 6), siendo el 58% del

IM-2006-II-23

86

valor del índice de rigidez lineal 1 de la prueba referencia para la velocidad de

proceso de 12,4 ciclos/min, lo más bajo. Para el espesor de lámina de 1.5mm

también ocurre lo mismo, pero la disminución es mayor que en el espesor de

lámina de 1mm llegando a solo el 18% del valor del índice de rigidez lineal 1

para la referencia con 12,4 ciclos/min. Esto nos deja claro que los tiempos de

cada etapa del termoformado (sección 4.3) deben ser precisos para que el

envase tenga buena rigidez en el rango de deformación menor a 1mm.


Para las pruebas de temperatura se puede ver que el índice de rigidez lineal 2

para espesor de lámina 1mm (figura 50, tabla 24), a medida que la temperatura

se aleja por debajo o por encima del valor referencia (380ºC), es de

disminución relativamente constante. Para espesor de lámina 1.5mm (figura

51, tabla 27) se puede ver que la disminución no es constante y no es

proporcional con que tanto se aleje del valor referencia (430ºC).

Para la presión de formado (figura 52, tablas 25 y 28) se puede ver como, en la

lámina de espesor 1mm, el índice de rigidez lineal 2 disminuye con respecto a

la referencia en las pruebas de 300 kPa y 500kPa, y la disminución por debajo

de los 400kPa es constante y no es muy grande (no baja del 50% del valor de

la prueba referencia). Para lámina de espesor 1.5mm se aprecia como al valor

del índice de rigidez lineal 2 disminuye de manera constante a medida que se

aleja del valor referencia, siendo el 44% del valor del índice de rigidez lineal 2

de la prueba referencia el valor más bajo de esta disminución para 500kPa.

IM-2006-II-23

87

En La velocidad de proceso (figura 53, tablas 26 y 29) se puede apreciar como

para la lámina de espesor 1mm hay una disminución en el valor del índice de

rigidez lineal 2 para todas las pruebas con respecto a la prueba referencia

(13,7ciclos/min), y el valor para la prueba de 11.7 y 12.4 ciclos/min se mantiene

casi igual con 0.102 y 0,104 kN/mm respectivamente. En la lámina de espesor

1.5mm los valores de esta propiedad disminuyen con respecto al valor del

índice de rigidez lineal 2 de la prueba referencia, siendo más pronunciada la

caída de valores para este espesor de lámina que para el de 1mm. El valor

más bajo se encuentra en el límite superior de la ventana (16,5ciclos/min), con

solo el 27% del valor del índice de rigidez lineal 2 de la referencia

(13,7ciclos/min).

7.4.3. Fuerza Máxima De Compresión

En las pruebas de temperatura y espesor de lámina 1.0mm (figura 56, tabla

30) se puede ver que para las pruebas de 390ºC y 400ºC, hay un aumento en

la fuerza con respecto a la prueba referencia (380ºC), pero en el valor superior

de la ventana la fuerza disminuye sustancialmente siendo el 36% del valor de

la fuerza máxima de compresión de la prueba referencia, y se alcanza el valor

más grande para las pruebas de todas las variables de este espesor con

0.268kN para la prueba de 400ºC. Para lámina de espesor 1.5mm la figura 57

y la tabla 33, muestran que existe cierta tendencia a que el valor de la fuerza

máxima de compresión aumente con la temperatura, siendo casi el doble de la

IM-2006-II-23

88

fuerza máxima de compresión de la prueba referencia a 430ºC (0,308kN), en la

prueba a 460ºC (0,611kN).

En las pruebas de presión de formado se puede ver que para la lámina de

espesor 1.0mm (figura 58 tabla 31) la fuerza máxima de compresión tiende a

ser constante con variaciones pequeñas con respecto a la referencia, en dos

casos, es mayor esta variación. Para la lámina de espesor 1.5mm (figura 58,

tabla 34) se puede ver que también tiende a ser constante el valor de la fuerza

máxima pero, en el límite superior de la ventana a 500kPa, la fuerza aumenta

considerablemente siendo el 159% del valor de la fuerza máxima de

compresión de la prueba referencia a 400kPa.

En la velocidad de proceso, para lámina de espesor 1.0mm (figura 59, tabla

32), se puede ver que los valores de fuerza aumentan en todas las pruebas con

respecto al valor de la referencia. Para lámina de espesor 1.5mm (figura 59,

tabla 33), se aprecia una tendencia a la proporcionalidad inversa entre la fuerza

y el valor de esta variable de termoformado, entre mayor es la velocidad de

proceso menor es la fuerza máxima de compresión. Entonces se tiene que, en

el límite inferior de la ventana, el envase resistirá más a compresión

alcanzando un valor de 0.632kN a 11,7ciclos/min, el más alto de toda la serie.

IM-2006-II-23

89

Conclusiones

En este trabajo se desarrolló una ventana de operación para el termoformado

con la resina de Polipropileno 03H82NA. Este trabajo es original ya que no se

había formulado antes una ventana de operación de este proceso con este tipo

de polipropileno. Después de obtener esta ventana de operación, se realizaron

pruebas de compresión para observar el efecto de ésta en las propiedades

mecánicas de los envases.

En estas pruebas de compresión se destacan 3 parámetros, el índice de rigidez

lineal 1, el índice de rigidez lineal 2 y la fuerza máxima de compresión. Los

índices de rigidez tienen que ver con la parte elástica del material. Los límites

de la ventana de operación son los que más afectan las propiedades elásticas

de los envases, en estos, las bajas temperaturas provocan que el material no

tenga la suficiente fluencia, entonces el material queda con esfuerzos

residuales al ser estirado dentro del molde. Las altas temperaturas tienen

incidencia en la estructura molecular, lo que se ve reflejado en las propiedades

del envase. La baja y alta presión de formado no dejan que el material se

distribuya homogéneamente en el molde, y esta irregularidad afecta

directamente ambos índices de rigidez. La velocidad de proceso maneja la

parte del tiempo que tiene la lámina para calentarse y el tiempo de aplicación

de la presión de formado, por lo que baja velocidad de proceso significa alta

temperatura y mala distribución del material en el molde, y alta velocidad de

proceso significa baja temperatura e irregularidad en el espesor del envase, lo

que tiene un efecto grande en los índices de rigidez.

IM-2006-II-23

90

La fuerza máxima de compresión tiende a ser mayor que el valor referencia en

la mayoría de las pruebas. La variación de los parámetros de termoformado

tiene una repercusión directa en el espesor de pared de los envases, al quedar

unas zonas más gruesas que otras. Estas regiones con mayor material

acumulado tienen mayor resistencia y al momento de cargar el envase, las

líneas de distribución de esfuerzos se encuentran con un área mayor en la

pared y es por eso que las fuerzas de compresión tienden a ser mayores.

Para escoger un determinado valor de las variables de termoformado dentro de

la ventana de operación, se tiene que conocer el tipo de carga a la cual va a

ser sometido el envase y escoger los valores que más convengan según estas

especificaciones de resistencia. Esto asegura el buen desempeño del producto

final y también tiene repercusiones en la economía del proceso ya que según

las especificaciones de resistencia del envase, se pueden escoger los límites

superiores de la ventana en cuanto a velocidad del proceso se refiere, y poder

producir la mayor cantidad de envases en el menor tiempo que permite la

ventana de operación, o en su defecto los valores inferiores de temperatura y

presión de formado y así, los requerimientos de energía serán más bajos al

igual que los costos.

IM-2006-II-23

91

Agradecimientos

• Ing. Carlos Suárez. Asesoría termoformado de lámina.

• Dr. Ing. Ind. Ing. Mec. Jorge Alberto Medina Perilla.

Profesor asesor de tesis

• Jimmy Niño. Asesoría extrusión de lámina.

• Propilco S.A. Patrocinador Material PP 03H82NA

IM-2006-II-23

92

ANEXO 1

Pruebas De Caracterización Del PP 03H82NA y Prueba De Orientación y Medición De Láminas

IM-2006-II-23

93

A.1. Prueba De Densidad

Densidad (ASTM D 792)

Equipos y Materiales:

Balanza Analítica Sartorius A210P

Alcohol 2propanol (Densidad 0.7881 g/cm3)

Fórmula:

37881.0cm

gBWA

ADensidad ⋅−+

=

A W B Densidad (g/cm3) 1,0388 11,2542 11,3796 0,89629766 1,0126 11,2592 11,3826 0,8974697 1,0234 11,2602 11,3728 0,8855309

Promedio 0,89309942 Desviación 0,00658068

IM-2006-II-23

94

A.2. Prueba De Indice De Fluidez

Indice De Fluidez (ASTM D 1238)

Equipos:

Plastómetro de Extrusión Tinius Olsen WL 987

Balanza Analítica Sartorius A210P

Termocupla Fluke

Fórmula:

600⋅=Tiempo

PesoMI

Tiempo (s) Peso (g) Indice de Fluidez MI (g/10min) 31,84 0,1433 2,70037688 30,23 0,1365 2,70922924 30,05 0,1366 2,72745424 17,67 0,085 2,88624788 18,39 0,0857 2,79608483

Promedio 2,76387862 Desviación 0,07803402

IM-2006-II-23

95

A.3. Reología Capilar PP 03H82NA y PP 03H82ND

Reología Capilar (ASTM D 1238)

Equipos:

Máquina Instron 1122

Celda de carga 500kg

Precisión 0.223 N

Capilar Diámetro 1.27889±0.01534mm

Longitud 50.92192±0.00254mm

Barril Radio 9.525mm

Fórmulas:

C

CP d

LA

F

⋅⋅=

4τ

3

2

152

C

Pxh

ddV ⋅

⋅=γ&

IM-2006-II-23

96

PP 03H82NA

Temperatura (ºC) 240

Velocidad (mm/min)

Escala Carta

Lectura carta (%)

Carga (kg)

Carga (N)

Esfuerzo Cortante (Pa)

Razón De Corte (1/s)

Viscosidad (Pa-s)

2 5 53 26,5 259,965 5726,6873 0,20851415 27464,2623 5 10 41 41 402,21 8860,15772 0,52128539 16996,7505 10 20 27 54 529,74 11669,476 1,04257077 11192,9821 20 20 37 74 725,94 15991,5042 2,08514154 7669,26555 50 20 52 104 1020,24 22474,5464 5,21285386 4311,37089 100 20 66 132 1294,92 28525,3858 10,4257077 2736,0623 200 50 33 165 1618,65 35656,7323 20,8514154 1710,03894 500 50 42 210 2060,1 45381,2956 52,1285386 870,565276

1000 50 49 245 2403,45 52944,8449 104,257077 507,829746


Velocidad (mm/min)

Escala Carta

Lectura carta (%)

Carga (kg)

Carga (N)

Esfuerzo Cortante(Pa)

Razón De Corte (1/s)

Viscosidad (Pa-s)

2 5 60 30 294,3 6483,04223 0,20851415 31091,6177 5 10 47 47 461,07 10156,7662 0,52128539 19484,0798 10 20 32 64 627,84 13830,4901 1,04257077 13265,7566 20 20 44 88 863,28 19016,9239 2,08514154 9120,20768 50 20 62 124 1216,44 26796,5746 5,21285386 5140,48068

100 20 77 154 1510,74 33279,6168 10,4257077 3192,07269 200 50 39 195 1912,95 42139,7745 20,8514154 2020,95511 500 50 47 235 2305,35 50783,8308 52,1285386 974,204

1000 50 54 270 2648,7 58347,3801 104,257077 559,649107

IM-2006-II-23

97

PP 03H82ND

Temperatura (ºC)

240 Esfuerzo Cortante

(Pa) Razón De Corte (1/s) Viscosidad (Pa-s)

5294,48896 0,20851415 25391,5092 8427,96202 0,52128539 16167,6544 11453,3843 1,04257077 10985,714 15127,1113 2,08514154 7254,71677 21610,159 5,21285386 4145,55243

27228,8004 10,4257077 2611,69804 34576,2544 20,8514154 1658,22098 44300,826 52,1285386 849,83825

51864,3817 104,257077 497,466294


Esfuerzo Cortante (Pa) Razón de Corte (1/s) Viscosidad (Pa-s) 6374,99691 0,20851415 30573,4499 9508,46997 0,52128539 18240,4306 12966,0954 1,04257077 12436,6573 21177,9558 2,08514154 10156,6035 23338,9717 5,21285386 4477,19662 29389,8163 10,4257077 2818,97567 36737,2703 20,8514154 1761,85979 47542,3498 52,1285386 912,021535 54025,3976 104,257077 518,194056

IM-2006-II-23

98

A.4. Prueba De Orientación De Lámina

Orientación De Lámina (ASTM D 1204)

Equipos y materiales:

Horno Thermolyne

2 Placas de acero cuadradas con acople de tornillo en cada esquina

Talco

Fórmula:

Prueba Espesor Lámina (mm)

a inicial (mm)

b inicial (mm)

a final (mm)

b final (mm)

Transversal (%)

Longitudinal (%)

1 1 100,86 101,04 100,48 100,76 -0,27711797 -0,376759872 1 101,3 101,06 100,71 100,81 -0,2473778 -0,582428433 1,5 100,95 101,46 100,76 101,32 -0,13798541 -0,188211994 1,5 101,53 101,47 100,96 101,26 -0,20695772 -0,56141042

Transversal (%) Longitudinal (%)

Promedio 1mm -0,26224788 -0,47959415 Promedio 1,5mm -0,17247157 -0,3748112

Desviación Estándar 1mm 0,02102948 0,14542964 Desviación Estándar 1.5mm 0,04877079 0,26389114

b

a

Dirección Transversal a la Extrusión

Dirección Longitudinal a la Extrusión

%100*% ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

inicial

inicialfinal

LLL

norientacióde

IM-2006-II-23

99

A.5. Medición Espesor y Ancho De Lámina

Rollo 1 Medición Espesor (mm) Ancho (cm)

1 1,073 24,7 2 1,069 24,8 3 1,072 24,8 4 1,074 24,7 5 1,068 24,7

Promedio 1,0712 24,74 Desviación 0,00258844 0,05477226

Rollo 2

Medición Espesor (mm) Ancho (cm) 1 1,067 24,9 2 1,075 24,8 3 1,071 24,7 4 1,068 24,6 5 1,068 24,7


Rollo 3



Rollo 4



IM-2006-II-23

100

ANEXO 2

Pruebas De Compresión Axial De Envases

IM-2006-II-23

101

B.1. Pruebas De Compresión Axial De Envases Para Pruebas De Temperatura (presión de formado 400 kPa, velocidad de proceso 13.7 ciclos/min)

Compresión 350ºC Espesor De Lámina 1mm

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)


0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

IM-2006-II-23

102

Compresión 370ºC Espesor DeLámina 1mm

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)


0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

IM-2006-II-23

103


0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)


0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Defrmación (mm)

Fuer

za (k

N)

IM-2006-II-23

104

Compresión 410ºC Espesor De Lámina 1.5mm

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)


0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

IM-2006-II-23

105

Compresión 440ºC Espesor DeLámina 1.5mm

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)


0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

IM-2006-II-23

106


0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

IM-2006-II-23

107

B.2. Pruebas De Compresión Axial De Envases Para Pruebas De Presión De Formado (temperatura espesor de lámina 1mm 380ºC, espesor de lámina 1.5mm 430ºC, velocidad de proceso 13.7 ciclos/min)

Compresión 200kPa Espesor De Lámina 1mm

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)


0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

IM-2006-II-23

108


0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

Compresión 200kPa Espesor De Lámina 1.5mm

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

IM-2006-II-23

109


0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)


0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

IM-2006-II-23

110

B.3. Pruebas De Compresión Axial De Envases Para Pruebas De Velocidad De Proceso (temperatura espesor de lámina 1mm 380ºC, espesor de lámina 1.5mm 430ºC, presión de formado 400kPa)

Compresión 11.7ciclos/min Espesor De Lámina 1mm

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)


0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

IM-2006-II-23

111


0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deforación (mm)

Fuer

za (k

N)

Compresión 11.7ciclos/min Espesor De Lámina 1.5mm

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

IM-2006-II-23

112


0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)


0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

IM-2006-II-23

113


0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

IM-2006-II-23

114

B.4. Pruebas De Compresión Axial De Envases Para Pruebas De Termoformado Referencia (temperatura espesor de lámina 1mm 380ºC, espesor de lámina 1.5mm 430ºC, presión de formado 400kPa, velocidad de proceso 13.7 ciclos/min)

Compresión Caso Ideal Espesor De Lámina 1mm

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

Compresión Caso Ideal Espesor De Lámina 1.5mm

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Deformación (mm)

Fuer

za (k

N)

ALVARO FRANCISCO MÉNDEZ NIVIA

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