Diseño y desarrollo de producto en materiales plásticos: de la idea al mercado

En los últimos años, la innovación en el desarrollo de productos pasa, en muchos casos, por la incorporación de los materiales plásticos para la fabricación de los mismos. Nos encontramos con innumerables iniciativas, que proceden tanto de empresas como de particulares, con ideas rupturistas, novedosas en su concepto, pero que necesitan de soporte técnico cualificado para poder asegurar su futura viabilidad industrial.

Serafín García Navarro, responsable de Diseño e Inyección de Aimplas (Instituto Tecnológico del Plástico)

El perfil de cliente potencial de este tipo de asesoramientos tiene tres fuentes principales:

• Particulares y empresas con conceptos novedosos que pretenden desarrollar basados íntegramente en materiales plásticos.
• Empresas del sector del plástico que, en línea con la situación general actual, ven en la diversificación de producto, la mejor manera de encontrar nuevas y sólidas áreas de negocio.
• Empresas con un business core alejado del mundo del plástico y para los cuales, los materiales plásticos deben ser un complemento necesario y nunca una fuente de problemas añadida.

En todos casos es necesario proporcionar al cliente una visión global que permita situar las posibilidades de realización e implementación de la idea o concepto que pretenden llevar al mercado. Para centrar mejor cuál es el sentido y la necesidad del asesoramiento, a continuación se exponen algunas ideas clave.

El producto no es una isla. ¿Cuál es su relación con el entorno de uso?
Cuando se plantea un nuevo desarrollo de pieza o componente en materiales plásticos es importante partir de la pregunta ¿Para qué se va a utilizar? e intentar responderla, al menos con la información mínima de la que se disponga en este punto inicial.

En este momento del proyecto se determinan aspectos como:

• Restricciones derivadas del marco legislativo o normativo.
• Limitaciones por coexistencia o colisión con desarrollos similares existentes en el mercado.
• Necesidades de certificación del producto.

Sin olvidar otras cuestiones más técnicas como:

• Viabilidad de uso de los materiales plásticos para la aplicación concreta, que va a venir limitada por los requisitos previstos para el producto (resistencia a intemperie, a agentes químicos, resistencia a altas o bajas temperaturas, incompatibilidad química, falta de propiedades mecánicas, etc).

De esta forma podemos enmarcar el ámbito en el que dicho producto va a desarrollar su vida útil y determinar, antes incluso de asumir más esfuerzos y dedicación, si existe una viabilidad del producto propuesto.

Desarrollar un producto no es únicamente diseñarlo

Aunque la afirmación anterior puede parecer una obviedad, es necesario recalcar este punto para dimensionar la dificultad que encarna el desarrollo de un nuevo producto.

Evidentemente el diseño juega un papel fundamental para el lanzamiento de un nuevo producto tanto si atendemos a su aspecto estético como a su aspecto funcional. En el fondo, esa es la principal diferencia entre arte y diseño.

Pero esta originalidad no es suficiente para asegurar la futura viabilidad técnica y económica del mismo. Para ello, una vez tenemos delimitado el Entorno, debemos descender al detalle en el área circunscrita únicamente al producto. Y basándonos en este supuesto asumir que cualquier desarrollo de producto debe descansar sobre tres patas: el diseño, el proceso de fabricación y el material o materiales empleados. En la correcta conjunción de los tres ámbitos es donde encontraremos nuestro producto optimizado.

El diseño y el proceso de fabricación. Juntos pero no revueltos
Ante un nuevo concepto de producto la pregunta con la que desde Aimplas, Instituto Tecnológico del Plástico, nos encontramos en nuestra función de asesores técnicos de las empresas es: ¿Cómo lo fabrico?. Nuestra área de trabajo horizontal basada en los materiales plásticos y en sus procesos de fabricación, nos posibilita contar con la capacidad y conocimiento de diversas tecnologías que permiten dar una visión global a la empresa de qué proceso de fabricación puede ser más idóneo, sin limitarnos a una tecnología concreta.

Cualquier empresa que pretenda desarrollar un producto nuevo siempre debe contar con esa visión horizontal. De esta forma evitará varias consecuencias negativas para el futuro desarrollo del producto:

• Que se descarte su viabilidad basándose en la posibilidad de fabricación tras valorar únicamente una tecnología.
• Que se distorsione el concepto inicial aportado por el cliente sólo por intentar adaptarse a una tecnología y proceso de fabricación que es el que domina nuestro asesor/proveedor o soporte técnico.

Por ello es fundamental pasar por el tamiz de todos los procesos de fabricación conocidos, el concepto propuesto y escoger aquel proceso que permita respetar en la mayor medida de lo posible, la idea inicial.

¿Y el costo?. Un criterio básico
Pero este criterio de selección de proceso de fabricación no se debe realizar solamente basado en el diseño. La discusión acerca del volumen de fabricación previsto y el coste estimado de fabricación supone un importante punto de inflexión para evaluar la viabilidad industrial y económica a futuro de nuestro nuevo producto.

En esta etapa un buen asesoramiento debe contemplar la selección del proceso de fabricación menos costoso para su puesta en marcha efectiva, a la par que intentará optimizar el diseño del producto para que, sin desvirtuarlo, su fabricación suponga la menor inversión y gasto posible para el cliente.

Una correcta selección de los materiales plásticos. La clave del éxito
Todos los aspectos mencionados hasta el momento se ejecutan partiendo siempre del supuesto que el producto se puede fabricar con materiales plásticos. Pero esta conclusión no tiene porqué ser inmediata y se hace necesario contar con el expertise necesario para poder realizar la búsqueda de los materiales plásticos más adecuados que cumplan los requisitos estéticos, funcionales y de uso que nos exige nuestro producto.

Proporcionar la información de grados comerciales o compuestos de materiales más idóneos y abrir el abanico a otras posibles alternativas con distintas mejoras (ya sea en coste o en propiedades) permite proporcionar al cliente mayor criterio de decisión en el momento de marcar el material plástico con el que quiere fabricar su producto.

El desarrollo se prolonga durante toda la vida del producto
No debemos pensar en la etapa de la puesta en marcha y la validación del producto como un punto final en nuestra tarea. Queda la parte más complicada, la producción del mismo. En este momento contar con soporte que permita recoger y evaluar la información sobre el diseño y las modificaciones del mismo, las condiciones de fabricación o las condiciones y tratamiento de los materiales empleados nos permiten tener un mayor control en la fase productiva.

Eso nos permitirá minimizar la aparición de lotes no válidos y piezas o componentes defectuosos que perjudican la imagen de la empresa y la comercialización del producto y pueden malograr todo el esfuerzo y dedicación empleado hasta ese momento.

Son por tanto diversos los retos técnicos que se le plantean a la empresa en el momento de llevar al mercado una idea. Contar con el apoyo tecnológico de expertos en diseño, materiales y producción es un aspecto fundamental para poder afrontar con garantías este proceso.

Interempresas - Plastico
20 Mayo 2013

Aprender mas sobre tamaños de extrusoras

Los procesadores tienden a recomendar un extrusor mucho más grande que lo que es realmente necesario para el trabajo y las capacidades de los equipos subsiguientes.

Sabiendo que las necesidades de los clientes cambian continuamente y se están siempre siendo persiguiendo mejoras de producción la gente de operación hoy en día tiende a recomendar un extrusor mucho más grande que lo que es realmente necesario para el trabajo y las capacidades de los equipos subsiguientes. Mientras que obtener una extrusora de gran tamaño proporciona flexibilidad "just-in-case”, esto también puede resultar en costos de operación diarios mucho más altos. Veamos por qué.

Este es un cálculo aproximado de la producción de una extrusora de un solo tornillo a 100 rpm sobre la base de un peso específico de 1,0 (poliestireno). Esto se puede ajustar para otros polímeros multiplicando las salidas por su gravedad específica.

Tanto los mandos  AC como CC tienen un consumo de energía más alto por kg de producción a bajas velocidades. Los mandos CD son incluso más caros de operar que los mandos de CA a velocidades bajas debido a su desventaja adicional de un pobre factor de potencia a baja velocidad. La extrusora más grande incrementa las pérdidas térmicas al medio ambiente ya que este último es proporcional al área de la superficie calentada de la extrusora. Esto puede ser útil en un clima frío para calentar la planta, pero es un factor de costo importante en climas cálidos, en particular si se requiere el uso de aire acondicionado.

Los requerimientos eléctricos de calentamiento y mantenimiento de la temperatura también son proporcionales a la masa de la extrusora. El tiempo de calentamiento puede doblar de un tamaño de extrusora a la siguiente. Aunque no suele ser un factor de costo importante, extrusores más grandes también requieren más espacio. Más importante aún, también requieren servicios de mayor capacidad con mayores gastos asociados con la instalación y el mantenimiento.

Otro factor de coste importante es el tiempo extra que se necesita para poner en marcha y los cambios en una extrusora más grande. Este tiempo extra da como resultado la pérdida de producción y la generación de mayores cantidades de desperdicio. Incluso los cambios de rutina que requieren purga son más caros, ya que se necesita más material de purga para cambiar materiales o colores.

Naturalmente, el gasto de inversión de capital aumenta con el tamaño de la máquina, y que tiene que ser amortizado en el costo de producción. Subiendo un tamaño de extrusora o menos se duplica la inversión de capital instalado. En producciones equivalentes, los extrusores más grandes tienen más tiempo de residencia y tienen más material en el interior, aumentando la probabilidad de degradación, así como la cantidad de polímero degradado.

En pocas palabras, el tamaño de extrusora debe ser considerado en la economía diaria de producción de productos extruidos. Por ejemplo, la operación de una extrusora de 112.5 mm (4.5-in.) a 500 kg / hr y una extrusora de 125 mm (6 in) a la misma produccion puede dar lugar a un aumento de 50-100% en el costo total de funcionamiento, dependiendo de los detalles del equipo, costo eléctrico, número de cambios, y los polímeros que se están procesando.

Decidir sobre el tamaño de extrusora derecho es también importante al implementar las extrusoras que ya tiene en su lugar. Muchas veces, he visto poco o ningún pensamiento al momento de seleccionar la extrusora más económica. Recientemente vi correr una lamina de PET angosta de calibre delgado, en una extrusora de 125 mm (6-in.), 34:1con un mando de 500 hp. La velocidad del tornillo fue de 36 rpm, con un máximo de 125 rpm. Un poco mas alla había una extrusora de 112.5 mm (4.5-in), 30:1 con 200 hp que lo podía haber hecho bien. Sin embargo, el procesador prefirio la nueva línea porque era más fácil de operar. Aquí el costo de operación por hora fue de aproximadamente el doble de lo que podría / debería haber sido.

Escoger la extrusora del tamaño adecuado es más o menos una función de la producción a una velocidad razonable de tornillo. La relación L / D adecuada depende de los requisitos de mezclado, venteado, y la generación de presión. El caballaje es una función de la producción y el polímero que está siendo procesado y se puede calcular fácilmente. Sin embargo, esto puede ser una matriz más bien compleja de opciones, y las decisiones se dejan a los expertos.

Mi consejo es desarrollar un costo de operación por hora para cada línea de extrusión y tratar de encajar la producción en la línea más económica, como parte del procedimiento de programación.

Jim Frankland
Plastics Technology
Noviembre 2012

Jim Frankland es un ingeniero mecánico que ha estado involucrado en todo tipo de extrusión durante más de 40 años. Actualmente es presidente de Frankland Plásticos Consulting, LLC. Contacto jim.frankland @ comcast.net o 651-9196 (724).