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Optimización del proceso de Termoformado usando la Diseño de Experimentos R. Morales, M. Candal. écnica Universidad Simón Bolívar (USB), Departamento de Mecánica, Grupo de Polímeros, Apartado 89000, Caracas 1080-A, Venezuela. e-mail: rmorales@usb. ve Resumen El objetivo principal de este trabajo fue estudiar la influencia de los parâmetros de procesamiento sobre las propiedades finales s. Para ello se or 13 empleó un Diseño de pe fraccionado 24-1. Las riable fueron: temperatura de ciclo y de retardo. factorial tudiadas vacío, tiempos entales mostraron que el tiempo de retardo es el parámetro más mportante para obtener buena calidad en las piezas termoformadas. Introducción La experimentación forma parte natural de la mayoría de las investigaciones científicas e industriales, en muchas de las cuales, Ios resultados del proceso de interés se ven afectados por la presencia de distintos factores, cuya influencia puede estar oculta por Ia variabilidad de los resultados. Es fundamental conocer los factores que realmente afectan y estimar esta influencia. ara consulr esto es necesario experimentar, por lo que se deben variar las condiciones que afectan a las unidades experimentales observar la variable respuesta. Del análisis y estudio de la recogida se obtienen las conclusiones. La forma tradicional que se utilizaba en Ia experimentación para el estudio de estos problemas se basaba en analizar los factores uno a uno, es decir, variar los niveles de un factor manteniendo fijos los demás. Esta metodologia presenta grandes inconvenientes.

En primer lugar, es necesario un gran número de pruebas, por lo que las conclusiones obtenidas en el estudio de cada factor tienen un campo de validez. Tampoco es posible estudiar la existencia de interacción entre los factores y siendo no viable, en uchos casos, por problemas de tiempo o costo. Una de las técnicas empleadas para el DOE es el diseño factorial. Éste es ampliamente usado en experimentos que involucran gran cantidad de factores donde es necesario estudiar el efecto de unir a estos factores en una respuesta.

Este diseño permite experimentar con todas las combinaciones de factores de diferentes valores que pueda tomar cada uno de estos. Permite acercarse al óptimo y estimar interacciones entre factores. Su principal inconveniente es que requiere de un gran número de experimentos. Este inconveniente se soluciona utilizando os niveles para cada variable o bien utilizando diseños de experimentos factoriales fraccionados [ 1].

En los últimos años se han realizado algunas publicaciones [2 – 5] acerca del estudio de la influencia de las variables del proceso de termoformado sobre la distribución de espesores en el artículo final, así como también 13 termoformado sobre la distribución de espesores en el artículo final, así como también sobre la importancia del uso de las técnicas estadísticas como el DOE, que otorgan posibilidades de optimización del proceso, disminuyendo el número de experimentos a realizar.

Las variables estudiadas son. índice de fluidez, temperatura de la lámina, geometr[a, temperatura y forma del pistón, profundidad de penetración de la lâmina y tiempo de presión de vacío. Dichos estudios han sido en materiales como el PP y el PEAD. Para el presente trabajo se utiliza el diseño factorial fraccionado para disminuir el número de experimentos a realizar.

En publicaciones realizadas acerca de la aplicación del DOE en el proceso de termoformado, arrojan como resultado que existen variables significativas en el proceso de formado de vasos, tales como la temperatura de la lámina, y la temperatura y forma del olde [2-4], de Ias cuales la temperatura de la Iámina fue la única tomada como variable para este trabajo. Ésta se encuentra relacionada directamente con el tiempo de ciclo y la potencia de los calentadores de la máquina.

Por lo tanto, se utiliza este método tomando como variable a confundir (multiplicación de las variables de interés) la potencia de los calentadores, escogiendo esta variable por ser la más difícil de manipular, debido a los problemas encontrados en el funcionamiento de las resistencias del horno de la máquina termoformadora. Metodologia Se utilizó un PSAI 4320 resistencias del orno de Ia máquina termoformadora. Se utilizá un PSAI 4320 de la casa comercial Estirenos del Zulia (MFI = 0. 8 g/ 10 min y esfuerzo a la ruptura 250 KgWcm2).

Se procedió a la extrusión de las láminas de 1 mm de espesor utilizando una extrusora monotornillo con boquilla de 35 cm de ancho y abertura de 0,1 cm. Se fijó una velocidad del tornillo de 90 rpm y 50 oc para la temperatura del agua. El perfil de temperaturas utilizado es el presentado en la tabla 1. Tabla 1 -Perfil de Temperaturas empleado Zona 2 4 5 7 160 160 170 180 190 200 200 oc Posteriormente, se Ilevó a cabo el termoformado de las áminas utilizando para ello una termoformadora, con un molde de seis cavidades de pistón asistido de Poliuretano (Figura 1).

Se moldearon las condiciones de proceso variando la abertura de la válvula de presión (V), el tiempo de ciclo (tc), el tiempo de retardo (tr) y la potencia de los calentadores (P). Se tornaron para este estudio las condiciones que presentaron un formado completo y mejor acabado de los vasos. En base a esto, se establecieron los rangos de trabajo óptimo para cada variable (Tabla 2). vaso, como se indica en Ia figura 2.

Se tomó esta consideración debido a que las diferentes condiciones moldeadas resentaron una característica que se cumplía a lo largo de todas las condiciones, donde los vasos del lado izquierdo de la lámina presentaban gran diferencia con respecto a los del lado derecho (Figura 3). Tabla 3. Matriz DOE Condiciones V tc tr P Respuesta 0,15 0,35 -1 1-11 0,27 0,20 -1 -11 0,55 6 0,61 0,40 8 mismo vaso y Figura 2 Medidas del Vaso. 2. Formulación de la hipótesis: en base a los resultados que se obtuvieron de los ensayos preliminares se cree que existen diversas variables que afectan el proceso de termoformado, unas en mayor forma que atras.

Las variables que se podían modificar en la máquina encionada anteriormente son cuatro. Se cree, por experiencias previas [2-3], que Ias variables relacionadas con tiempo y temperatura son las más significativas en este proceso. Figura 3: Vasos moldeados usando a una potencia de Ios calentadores de 90%: (a) tc= 3. 5 s (b) tc=4,0s Resultados y Discusiones Antes de comenzar a analizar los resultados obtenidos, es importante estar claro que el DOE surge de la necesidad de responder preguntas como: ¿Cómo se va a medir el efecto? , ¿Cuáles son los factores o variables que se van a analizar? ¿Cuántas veces se va a ejecutar el experimento? , ?Cuál será Ia forma del análisis? , ¿A partir de qué valores se considera importante el efecto? Al responder todas estas interrogantes se busca proporcionar la máxima cantidad de información pertinente al problema bajo investigación reduciendo el tiempo de producclón, el dinero invertido y el material experimental empleado. Las etapas del DOE que se desarrollaron en este estudio fueron las siguientes: 1. Planteamiento del problema: se estudiaron las variables que afectan el proceso de o de vasos de PSAI. ue afectan el proceso de termoformado de vasos de PSAI. Por medio de láminas de PSAI de 1 mm de espesor se ealizaron ensayos preliminares, para identificar las variables a tomar en cuenta en el presente estudio. Una vez realizadas diferentes condiciones de termoformado de vasos, se tomaron las que presentaran un formado completo y mejor acabado de los mismos. En base a estas condiciones se establecieron los rangos de trabajo óptimo para cada variable manipulada durante el proceso de termoformado, con la finalidad de establecer los limites de trabajo que se utilizarían en el DOE (Tabla 2). . proposiclón de la técnica experimental y el diseño: se propuso el uso de la estrategia secuencial (DOE) que equiere de un proceso de planificación para obtener datas apropiados, los cuales se analizan mediante técnicas estadísticas, con el objetivo de extraer conclusiones válidas y objetivas. Esta estrategia permite disminuir al máximo el tiempo a invertir en los ensayos, y el material a utilizar, y por lo tanto, reducir los costes de investigación.

Especificamente, se propuso el uso de DOE factorial fraccionado debido a que permite estudiar un factor a la vez y experimentar con diferentes variables y niveles posibles, reduciendo así el número de experimentos a realizar y el tiempo y el material a invertir en los ensayos, e forma tal de extraer conclusiones válidas y objetivas. 4. Examen de referencias que auguran que el procedimiento estadístico escogido sati objetivas. procedimiento estadístico escogido satisface las condiciones necesarias para que sean válidos los resultados a obtener: se utilizaron como referencias trabajos previos mencionados anteriormente [2-51. 5.

Escogencia de los resultados a analizar: se escogió como respuesta para realizar el análisis, el espesor en el fondo del vaso, debido a que es una de Ias partes que sufren mayores cambios en sus espesores. La matriz de diseño para esta espuesta queda como se muestra en la tabla 3. 6. Ejecución del experimento: se construyó una matriz 24-1 . Lo que significa dos niveles (máximo +1 y mínimo -1) con cuatro variables a tomar en cuenta y una de ellas confundida. 7. Aplicación de la técnica estadística a los resultados experimentales: luego de calculados los efectos y las interacciones se procede a la construcción del modelo.

En primer lugar, se supuso un modelo lineal, por medio del cual se puede cuantificar Ia dependencia funcional entre la respuesta y las variables de regulación o factores. Al analizar diseños planificados interesa que el número de arámetros estimados (S) sea igual al número de experimentos a realizar. Esto hará posible un cálculo matricial rápido, y la consiguiente obtención de los coeficientes. Se construyó Ia gráfica de zemizetas en función de los efectos en el fondo del vaso (Figura 4), para conocer los efectos significativos del proceso.

Todos los puntos que se alejaron de PAGF 13 conocer los alejaron de la recta se consideraron como sgnificativos. En la figura 4 se observa que el efecto 3 (tiempo de retardo) es el único significativo. Figura 6. Residuos vs Niveles. Figura 4 Zemizetas vs efecto. Por Io tanto, esta variable afecta considerablemente la istribución de espesores en el fondo del vaso, debido a que es el tiempo que tarda el pistón en descender de su posición final una vez concluida la aplicación del vacío.

Es asi como el modelo lineal propuesto a resolver, fue el siguiente: Para aceptar el modelo, es necesario realizar un análisis de residuos con la finalidad de detectar si los residuos contienen aún información que permita mejorar el modelo, verificar las hlpótesis en que se basa la validez de las pruebas de significación, detectar observaciones con influencia, verificar las hipótesis en que se basa la validez de las pruebas de significación efectuadas.

Lo anteriormente descrito se puede evaluar mediante los residuos independientes, la varianza residual constante y Ia distribución normal de los residuos. Se hallaron Ias gráficas de Residuos en función de la Y estimada, Residuos en función de los Niveles y probabllidad en función de Y, encontrándose que no existe ningún patrón para los residuos, lo cual verifica que el modelo usado es el correcto (Figura 4-7). Figura 5. Residuos vs Y estimado. Figura 7. Probabilidades vs Y. La figura 5 muestra una nube de puntos sin ningún patrón lo que indica que Y Sólo se relaciona con X3 en forma lineal.

Para la figura 6 existe un orden adecuado en los puntos, resultado esperado para una varianza homogénea y en la figura 7 se cumple con la tendencia lineal para verificar normalidad, Io que quiere decir, que Ias respuestas no están relacionadas con Otra variable. Por lo tanto, se toma la variable X3, como la variable que afecta significativamente al proceso. 8. Extracción de conclusiones: en base al resultado que arrojó la técnica de DOE, el tiempo de retardo es la variable más significativa en el proceso de termoformado, lo cual es lógico debido a la respuesta tomada para el análisis (espesor del fondo del vaso).

Esta variable afecta considerablemente Ia distribución de espesores para esta parte del vaso, debido a que esta variable es el tiempo que tarda el pistón en descender de su posición final una vez concluida la aplicación del vacío. para verificar esto, se moldearon dos condiciones, con el mismo tiempo de ciclo, abertura de la válvula y potencia de los calentadores, solo diferenciándose por el tiempo de retardo: una a un tiempo de retardo de 0,5 s y Otra a un tiempo de retardo mayor de 1,6 s. Se observó claramente que el de tiempo de retardo mayor (1. 5 s) presentó un mejor acabado del fondo del vaso lo que puede traducirs