Los fabricantes de máquinas de moldeo por inyección especifican los reductores planetarios ALBERT ABT para sistemas de transmisión de energía de fuerza de cierre de gran tonelaje.

¿Por qué son importantes los reductores planetarios en el moldeo por inyección moderno?

Cuando recorro una planta de moldeo por inyección que produce componentes para automóviles en una máquina de 1600 toneladas, lo primero que reviso no es la abrazadera, sino el accionamiento del husillo. Si el husillo plastificante no puede lograr una calidad de fusión uniforme con la contrapresión adecuada, la fuerza de cierre resulta irrelevante. El reductor planetario ALBERT ABT se sitúa en la intersección de Servomotor La precisión y la potencia del accionamiento del tornillo son los componentes que determinan si el peso de la inyección varía un 0,1 % o un 0,5 % durante un turno de ocho horas.

En las máquinas de moldeo por inyección hidráulicas tradicionales, la rotación del husillo es impulsada por un motor hidráulico alimentado por una bomba de desplazamiento fijo. La eficiencia energética en esta arquitectura rara vez supera el 45 % a carga parcial: la bomba funciona a velocidad constante independientemente de la demanda, y el exceso de energía hidráulica se convierte en calor que debe ser disipado por el sistema de refrigeración. Cuando los fabricantes de maquinaria sustituyen el accionamiento hidráulico del tornillo por un servomotor eléctrico conectado mediante un reductor planetario, la eficiencia mecánica del tren de transmisión aumenta de aproximadamente el 75 % (motor hidráulico + pérdidas de la bomba de engranajes) a más del 92 % (servomotor + reductor planetario). No se trata de una mejora marginal, sino de una reestructuración fundamental de la forma en que la energía llega al tornillo plastificante.

El Reductor planetario ALBERT ABT Esta serie está diseñada específicamente para esta aplicación. He trabajado con fabricantes de maquinaria que inicialmente intentaron usar reductores industriales de uso general para sus accionamientos de plastificación eléctrica, y he visto cómo esos reductores fallaban en seis meses: picaduras en los cojinetes de entrada por fuerzas axiales del tornillo, desgaste por fricción en la chaveta del eje de salida por par de torsión inverso durante la descompresión y deterioro de la superficie de los dientes de los engranajes por sobrecargas máximas durante los ciclos de inyección de arranque en frío. La serie ALBERT ABT soluciona estos problemas mediante engranajes planetarios helicoidales cementados con perfiles de dientes abombados, cojinetes de rodillos cónicos en los ejes de entrada y salida, y un diseño de portaplanetarios de una sola pieza que mantiene la alineación de los engranajes bajo par de torsión inverso.

El desafío mecánico: transmisión de energía en sistemas de sujeción de gran tonelaje

Para comprender por qué es importante un reductor planetario diseñado específicamente para este fin, necesito analizar el perfil de torsión que experimenta realmente un accionamiento de tornillo de moldeo por inyección de gran tonelaje. Consideremos una máquina de 1.600 toneladas que produce vigas de parachoques de polipropileno para automóviles con un diámetro de tornillo de 120 mm. Durante la plastificación, el servomotor debe proporcionar aproximadamente 2800 Nm de par continuo a 800 rpm para hacer girar el husillo contra la contrapresión del material fundido de 150 bar. Durante la descompresión —la breve rotación inversa que evita el goteo en la boquilla después de cada inyección— el reductor experimenta una inversión de par de aproximadamente 1200 Nm en menos de 50 milisegundos. Después de la inyección, durante la recuperación del husillo, el requisito de par aumenta a aproximadamente 3500 Nm durante los primeros 200 milisegundos, mientras el husillo rompe el material solidificado en el área del anillo de retención antes de estabilizarse nuevamente en el par de plastificación constante.

Este perfil de par trifásico —plastificación constante, inversión rápida de la descompresión y pico de arranque en frío— es lo que diferencia a los reductores planetarios de moldeo por inyección de los reductores industriales generales. Un reductor planetario industrial estándar con un par continuo de 3000 Nm podría sobrevivir a la fase de estado estacionario, pero sus cojinetes de salida y el portaplanetarios fallarán prematuramente debido a la combinación del desgaste por fricción por inversión de par y la sobrecarga por arranque en frío. He visto un reductor que superó todas las pruebas de banco en un dinamómetro de estado estacionario fallar en tres meses en una máquina de 2000 toneladas porque su portaplanetarios era de dos piezas atornilladas: la precarga de los pernos se relajó bajo el par cíclico de inversión, lo que permitió que los engranajes planetarios se desalinearan aproximadamente 0,05 mm, lo cual fue suficiente para generar tensiones de contacto localizadas que superaron el límite de resistencia al picado del material del engranaje.

La serie ALBERT ABT soluciona este problema mediante un portaplanetarios monolítico mecanizado a partir de una sola pieza forjada, con los orificios de los pasadores planetarios mecanizados en línea después del acabado del portaplanetarios para garantizar una alineación paralela con una precisión de 0,01 mm en las tres posiciones planetarias. El sistema de cojinetes de salida utiliza un par de cojinetes de rodillos cónicos dispuestos espalda con espalda con una precarga que mantiene una holgura axial nula bajo la carga axial nominal máxima de 50 kN. — la fuerza axial que el tornillo de inyección ejerce sobre el eje de salida del reductor durante cada ciclo de inyección.

Parámetros clave de rendimiento para reductores planetarios de moldeo por inyección

La holgura es el parámetro que afecta más directamente a la calidad de la pieza moldeada, y es el que muchos fabricantes de maquinaria pasan por alto al seleccionar un reductor. Si su reductor planetario tiene una holgura de 10 arc-min, el servomotor debe girar 10 arc-min (0,167 grados) antes de que el eje de salida comience a moverse. Durante la descompresión del husillo, cuando el motor invierte su dirección, esos 10 arc-min de holgura se traducen en aproximadamente 0,3 mm de rotación incontrolada del husillo a un diámetro de 100 mm, lo suficiente como para provocar un cierre inconsistente de la boquilla y marcas de goteo en las piezas moldeadas. La holgura de ≤ 3 arc-min del ALBERT ABT reduce esta holgura a aproximadamente 0,09 mm, lo que se encuentra dentro del rango aceptable para las tolerancias de moldeo de grado automotriz y médico.

Arquitectura de integración: Servomotor → Reductor planetario → Tornillo plastificante

La integración de un reductor planetario ALBERT ABT en el sistema de transmisión de una máquina de moldeo por inyección sigue una arquitectura específica que he perfeccionado a través de múltiples colaboraciones con fabricantes de maquinaria. El eje de salida del servomotor está acoplado directamente a la entrada del reductor planetario mediante un acoplamiento de fuelle que permite una desalineación radial de hasta 0,1 mm sin generar cargas radiales en los cojinetes del motor. El eje de salida del reductor se conecta al tornillo plastificante mediante un adaptador estriado que transmite el par motor al tiempo que permite que el tornillo se mueva axialmente durante la inyección; el empuje de la inyección es absorbido por un conjunto de cojinetes de empuje independiente, no por los cojinetes de salida del reductor.

Esta separación entre la transmisión de par (reductor planetario) y la absorción de empuje (cojinete de empuje) es fundamental. He evaluado diseños de máquinas donde se esperaba que los cojinetes de salida del reductor soportaran la fuerza de empuje de inyección, y en todos los casos, la vida útil de los cojinetes de salida se redujo entre 3 y 5 veces. El diseño del ALBERT ABT contempla específicamente esta separación: el eje de salida está dimensionado para par puro con un factor de seguridad de 1,8 al par nominal máximo, mientras que el extremo del eje presenta una estría involuta estándar DIN 5480 que se acopla a una carcasa de cojinete de empuje independiente. Esto significa que su máquina puede diseñarse con el cojinete de empuje óptimo para sus requisitos específicos de presión de inyección, sin limitar la selección del reductor.

Para la selección del servomotor, el reductor ALBERT ABT está disponible en relaciones de 3:1 a 10:1, lo que permite al diseñador de la máquina ajustar el rango de velocidad óptimo del servomotor (normalmente de 1500 a 3000 rpm para servomotores de alto par) al rango de velocidad requerido del husillo (normalmente de 80 a 250 rpm para husillos de plastificación de gran diámetro). Recomiendo seleccionar una relación que sitúe la velocidad nominal del servomotor en aproximadamente el 80 % de su velocidad máxima continua a la velocidad máxima de diseño del husillo; esto proporciona una reserva de par del 20 % para arranques en frío y condiciones de materiales de alta viscosidad sin que el motor tenga que operar en su zona de sobrecarga intermitente en cada ciclo.

Ahorro energético: El argumento económico a favor de los accionamientos eléctricos de plastificación

El argumento más convincente que puedo presentar a un fabricante de máquinas de moldeo por inyección que esté considerando el cambio de un sistema de accionamiento hidráulico a uno eléctrico es el siguiente: el ahorro en costes energéticos por sí solo suele compensar el coste adicional del hardware en un plazo de 12 a 18 meses de funcionamiento continuo. Estas son las fórmulas matemáticas que utilizo cuando presento esto a los fabricantes de máquinas:

Una máquina de moldeo por inyección hidráulica de 1200 toneladas con bomba de desplazamiento fijo consume aproximadamente 55 kW de energía eléctrica durante su funcionamiento continuo, de los cuales unos 18 kW se destinan al motor del husillo hidráulico. La bomba hidráulica funciona continuamente a 1500 rpm, independientemente de si el husillo está girando o en reposo, convirtiendo aproximadamente entre el 35 % y el 40 % de la energía eléctrica de entrada en calor, que debe ser disipado por el sistema de refrigeración, el cual consume energía adicional para las bombas de agua de refrigeración y el funcionamiento del enfriador. La energía neta que llega al husillo es de aproximadamente 7,5 kW de los 18 kW de entrada, lo que representa una eficiencia mecánica de aproximadamente el 41 %.

Si se sustituye el accionamiento hidráulico del tornillo por un servomotor de 22 kW que acciona el tornillo a través de un reductor planetario ALBERT ABT, la eficiencia del sistema cambia drásticamente. El servomotor solo consume corriente cuando el husillo está girando. Durante las fases de apertura/cierre del molde, eyección y enfriamiento, el accionamiento del husillo no consume energía. El servomotor funciona con una eficiencia del 92-95%, y el reductor planetario con una eficiencia del 96-98%, lo que resulta en una eficiencia combinada del sistema de transmisión de aproximadamente el 88%. La energía neta que llega al husillo es de aproximadamente 19,4 kW de los 22 kW de entrada, y solo consume energía durante la fase de plastificación, que generalmente representa entre el 55% y el 65% del tiempo total del ciclo.

Durante un año de funcionamiento a 7.000 horas, el accionamiento hidráulico del tornillo consume aproximadamente 126.000 kWh. El accionamiento eléctrico del tornillo consume aproximadamente 84.700 kWh. una reducción de 41.300 kWh, que a una tarifa eléctrica industrial de 0,12 $/kWh se traduce en aproximadamente 4.956 $ al año en ahorros directos de energía.Además, se obtienen ahorros adicionales gracias a la menor carga del sistema de refrigeración. Para un fabricante de maquinaria que instala 50 máquinas al año, esto representa aproximadamente 247.800 dólares en ahorros energéticos anuales para los clientes finales, una ventaja competitiva que amortiza con creces la inversión en ingeniería.

Cómo seleccionar el modelo ALBERT ABT adecuado para el diseño de su máquina.

Abordo la selección de reductores como un proceso de ingeniería de tres pasos. Paso 1: Determinar el par máximo continuo requerido. Calcule el par de apriete del husillo en función del diámetro máximo del husillo, la contrapresión máxima del material fundido y la relación L/D del husillo. Para un husillo de 120 mm que funciona a una contrapresión de 200 bar, el par de apriete requerido es de aproximadamente 3450 Nm. Aplique un factor de servicio de 1,3 para el moldeo por inyección (funcionamiento intermitente con cargas de choque moderadas), lo que da como resultado un par de apriete de diseño de 4485 Nm. Seleccione un reductor con un par de apriete nominal que cumpla o supere este valor.

Paso 2: Verifique la capacidad de par máximo. Su reductor debe soportar el pico de par de arranque en frío que se produce cuando el tornillo comienza a girar después de que la máquina haya estado inactiva con material solidificado en el cilindro. He medido picos de par de arranque en frío de 2,1 a 2,8 veces el par de plastificación en estado estacionario en materiales de polipropileno, nailon y ABS. La serie ALBERT ABT está diseñada para un par de parada de emergencia de 3 veces la capacidad nominal continua, lo que proporciona un margen de seguridad adecuado para condiciones de arranque en frío.

Paso 3: Confirmar la rigidez torsional. La rigidez torsional determina la rapidez con la que el husillo responde a los cambios de velocidad del servomotor, lo cual es fundamental para un control preciso de la contrapresión durante la plastificación y para una descompresión rápida antes de la apertura del molde. Para una máquina de 1200 toneladas, recomiendo una rigidez torsional de al menos 300 Nm/arc-min. Por debajo de este umbral, la respuesta dinámica del servomotor se filtra a través de una transmisión mecánicamente flexible, lo que provoca un sobreimpulso de contrapresión de 10 a 20 bar durante las transiciones de velocidad.

La perspectiva del autor: qué busco al evaluar un reductor

Cuando evalúo un reductor planetario para una aplicación de moldeo por inyección, no empiezo con las especificaciones del catálogo. Empiezo visitando la planta de ensamblaje del fabricante y observando cómo fabrican una unidad. Observo cómo se ensamblan los engranajes planetarios en el soporte: ¿los cojinetes planetarios se insertan a presión con un ajuste de interferencia controlado, o se ajustan mediante anillos de retención? He visto ambos métodos, y el enfoque de cojinetes a presión ofrece sistemáticamente una vida útil más larga bajo torsión reversible porque no hay movimiento relativo entre el anillo exterior del cojinete y el orificio del soporte, lo que evita la corrosión por fricción y el aumento progresivo de la holgura.

Analizo el acabado superficial de los dientes del engranaje con un perfilómetro. Una rugosidad superficial Ra de 0,4 μm o mejor en los flancos de los dientes después del rectificado indica que el fabricante ha invertido en equipos de rectificado de precisión y comprende que el acabado superficial afecta directamente a la resistencia al picado. Analizo el sistema de lubricación: ¿se lubrica con grasa de por vida o existe un sistema de circulación de aceite con filtración? Para las máquinas de moldeo por inyección que operan a velocidades de husillo superiores a 400 rpm, prefiero la lubricación con aceite porque proporciona una disipación de calor más eficaz del engranaje y prolonga los intervalos de servicio en comparación con la grasa.

Estas no son preocupaciones teóricas. Son lecciones que he aprendido de máquinas que funcionaron de forma fiable durante ocho años y de máquinas que requirieron la sustitución del reductor después de dieciocho meses; y la diferencia siempre se debía a estos detalles de ingeniería específicos, más que a las afirmaciones generales sobre el rendimiento que figuraban en el catálogo. La serie ALBERT ABT refleja estas lecciones del mundo real en su diseño: cojinetes planetarios de ajuste por interferencia, perfiles de dientes de engranajes rectificados con un valor de Ra ≤ 0,4 μm verificado mediante perfilómetro y lubricación con aceite mediante tapones de drenaje magnéticos para la monitorización de partículas de desgaste.