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    La colaboración en investigación podría remodelar el moldeo por inyección

    Alicyn Rhoades, profesor asistente de ingeniería en Penn State Behrend, trabajando en un calorímetro de barrido diferencial de flash (Flash DSC). Crédito:Robb Frederick / Penn State Behrend

    Mientras Ralph Colby mira la imagen del microscopio frente a él, cree que puede distinguirlos:"brochetas, "como los llaman los científicos de polímeros. Nadie sabe con certeza qué son, pero estas formas que aparecen en momentos aparentemente impredecibles cuando ciertos plásticos se enfrían tienen un gran impacto en las propiedades generales de los plásticos. No es gran cosa cuando se rompe un tenedor de plástico, pero si la jaula de un cojinete de un avión se rompiera, podría poner a la gente en peligro.

    Colby se ha asociado con otros dos investigadores de Penn State para obtener una mejor comprensión básica de cómo los plásticos se enfrían de una forma líquida a sólida en el moldeo por inyección. Su trabajo, que implica algunas técnicas nuevas, ya está ayudando a los socios de la industria.

    "Por último, Esperamos salir de nuestra investigación con una mejor comprensión básica de cómo estos polímeros cristalizan durante el flujo, y también el conocimiento para poner esta información en software de moldeo por inyección, "dijo Colby, profesor de ciencia e ingeniería de materiales.

    Del pellet al producto

    La mayoría de los plásticos se producen mediante moldeo por inyección, un proceso mediante el cual se funden pequeños gránulos de plástico, forzado en un molde de una forma y enfriado rápidamente. En forma derretida, los polímeros son como un plato de espaguetis, con moléculas individuales siendo un desorden de fideos. Mientras se enfrían comienzan a formar una estructura y este proceso se conoce como cristalización. La forma en que se forman los cristales puede afectar la fuerza, durabilidad y otras propiedades del material.

    El objetivo del moldeo por inyección es lograr que los polímeros se orienten y cristalicen de una manera específica. No es tan simple como calentar y enfriar el material; bastante, requiere la cantidad adecuada de presión y temperatura para que las moléculas individuales jueguen bien entre sí y se pongan en el orden correcto.

    El moldeo por inyección es lo suficientemente complicado como para requerir el uso de software para controlar diferentes parámetros de la máquina a lo largo del proceso. Ese software se basa en datos de hace décadas que urgentemente necesitan ser actualizados, dijo Alicyn Rhoades, profesor asistente de ingeniería en Penn State Behrend, que cuenta con un reconocido programa de tecnología de ingeniería de plásticos.

    "Desde la década de 1950, Los ingenieros de polímeros han estado diseñando procesos de fabricación como el moldeo por inyección con datos de referencia que se generaron con plásticos que cambiaban 10 grados por minuto, pero en la fabricación, los polímeros están sujetos a enfriamiento a una velocidad de entre 10 y 1, 000 grados por segundo, " ella dijo.

    La tasa de transferencia de calor, ya sea dentro o fuera de un polímero, hace una diferencia increíble en cómo se comporta un polímero una vez que se enfría. Es similar a cocinar dijo Rhoades. Poner la masa para pastel en el horno hace un producto muy diferente a dejarlo caer en la plancha.

    Rhoades sabía que podría lograr los niveles de transferencia de calor relevantes para el moldeo por inyección si usaba un dispositivo conocido como calorímetro de barrido diferencial de flash. o Flash DSC. La máquina calienta pequeñas cantidades de polímeros miles de grados en una fracción de segundo.

    Rhoades comenzó a discutir el tema con General Motors Company, y el concepto de investigación tocó inmediatamente la fibra sensible de sus ingenieros de polímeros. En 2013, GM hizo un regalo a Penn State para que Rhoades pudiera comprar un Flash DSC.

    "Grupos de todo el mundo utilizan Flash DSC para estudiar el vidrio o para la investigación farmacéutica, pero somos los primeros en utilizarlo para la ingeniería de plásticos, " ella dijo.

    Rhoades viaja al campus de University Park a menudo para su investigación para hacer uso del Laboratorio de Caracterización de Materiales, parte del Instituto de Investigación de Materiales. El laboratorio está diseñado para caracterizar, o cuantificar las propiedades de, diferentes materiales.

    En su investigación, Rhoades sabía que le faltaba una pieza crucial:reología, o cómo se comportan los fluidos mientras fluyen.

    "En el moldeador de inyección, presurizas el polímero derretido y lo disparas como una pistola de agua en un molde de forma, ", dijo." Empecé a darme cuenta de que hay tanta reología que conduce a las condiciones finales de cristalización. El proceso de moldeo por inyección es demasiado complicado para saltar directamente al final y tomar una pieza moldeada y trabajar a partir de ella ".

    Afortunadamente, Rhoades conocía a la persona que tenía la experiencia en reología de polímeros para complementar su experiencia en ingeniería aplicada:Colby. Los dos se habían conocido en un evento de la National Science Foundation en Washington en 2014 y habían planeado colaborar. Un día, mientras deja muestras en el MCL, Rhoades apareció sin previo aviso en la oficina de Colby.

    "Lo puse sobre la mesa y básicamente dije:esto es lo que puedo hacer pero necesito un buen colaborador en el lado de la reología debido a cuánto impulsa la cristalización el flujo del polímero, ", dijo." Dijo que ya habían comenzado a hacer cristalización de polímeros a velocidades de calentamiento y enfriamiento lentas, pero que no podían lograr altas velocidades en su laboratorio. La asociación fue obvia y encajó muy bien ".

    Trabajar con Colby también abrió la puerta a un segundo colaborador, Scott Milner, el Profesor de la Cátedra William H. Joyce en el Departamento de Ingeniería Química, cuya experiencia en física teórica de polímeros se sumó a los antecedentes de Rhoades y Colby.

    Cada vez más caliente (y más frío)

    La mayor parte de los experimentos del trío imitan lo que sucede durante el moldeo por inyección. Toman una muestra de material en forma sólida, calentarlo justo por encima de su punto de fusión, aplicar una fuerza al material para simular cómo fluye hacia un molde de inyección y luego, una vez que la muestra se ha dejado enfriar, ellos lo estudian.

    Para informar qué tipo de experimentos deben realizar, los científicos se basan en teorías sobre cómo deberían comportarse los polímeros en diferentes contextos. Ahí es donde entra en juego la experiencia teórica de Milner.

    "Cuando eres un experimentador, podrías estar pensando '¿Cómo puedo medir eso mejor que otros? ¿Cómo puedo detectar algo que otras personas no pueden detectar? '", Dijo Milner." Como teórico, siempre tienes en el fondo de tu mente, '¿Cómo puedo modelar esto?' y eso cambia tu perspectiva ".

    El trabajo de Milner en este proyecto implica modelar lo que sucede con las moléculas de polímero individuales cuando se someten a las fuerzas del moldeo por inyección. Realiza simulaciones por computadora que resuelven ecuaciones físicas para cada molécula, que indica dónde es probable que se mueva cada molécula en el siguiente momento y qué fuerza podría aplicar a las moléculas cercanas. Esto da una imagen de cómo es probable que se orienten las moléculas una vez que se enfríen y adopten una forma estática. La cantidad de potencia informática necesaria para este tipo de trabajo no se puede realizar en un solo escritorio; en lugar de, Milner confía en la infraestructura cibernética avanzada del Penn State Institute for CyberScience, un conjunto sólido de herramientas informáticas de investigación disponibles para los investigadores de Penn State.

    Milner ha estado colaborando con Colby desde que se unió a Penn State en 2008. Los dos se conocieron hace décadas. cuando Colby trabajaba para Kodak y Milner era investigador postdoctoral en ExxonMobil. Milner cita a Colby como una de las razones por las que vino a Penn State.

    "Quería saber con qué tipo de personas colaborar, y parecía atractivo que Ralph estuviera en Penn State, " él dijo.

    Su colaboración ganó nuevas alturas cuando los dos asesoraron a un estudiante de posgrado de 2012 a 2015. Fue entonces cuando comenzaron a estudiar los efectos del flujo en la cristalización de polímeros. Cuando Rhoades se conectó con Colby, el trío estaba listo para sumergirse en el tema de la cristalización inducida por flujo.

    Sus experimentos iniciales ya han mostrado otros misterios que tienen lugar dentro de los plásticos líquidos sometidos a flujo, además de los granos de arroz algo espontáneos y las brochetas. Por ejemplo, si un polímero se funde solo brevemente, parece "recordar" su orientación molecular como un sólido, dijo Milner, y se recristaliza en eso mucho más rápido que si permaneciera en forma líquida por más tiempo.

    "El jurado aún está deliberando sobre si yo u otros teóricos podremos describir mejor lo que está sucediendo usando modelos matemáticos, "dijo Milner, "pero tenemos una imagen mucho más clara de lo que está sucediendo a partir de los experimentos que ya hemos hecho".

    Retooling de moldeo por inyección

    Cada nuevo experimento que realiza el equipo es un intento más de echar un vistazo bajo el capó de la cristalización de polímeros, y su objetivo es utilizar este nuevo conocimiento para actualizar el software de moldeo por inyección. Esto podría ahorrar a las empresas cientos de miles de dólares, dijo Rhoades, además de asegurar la durabilidad de sus productos.

    "Para cortar un molde de acero, fácilmente puede costar más de $ 100, 000, ", dijo." Si luego se entera de que su molde debe ajustarse porque el software está apagado, una empresa podría tener que deshacerse de su molde y construir uno nuevo ".

    El equipo ha estado trabajando en estrecha colaboración con dos actores principales de la industria del plástico:GM, que fabrica una variedad de productos para la industria automotriz, y SKF, que se especializa en termoplásticos de ingeniería de alta gama para la industria aeroespacial. Parte de su trabajo ya se está incorporando al software de moldeo por inyección para que prediga con mayor precisión cómo se comportará el producto plástico final.

    Pero aún queda mucho trabajo por hacer y muchas incógnitas por resolver. La clave para avanzar más, Rhoades cree, No reside en que una persona examine el problema, sino en un enfoque colaborativo.

    "No se puede lograr el tipo de progreso que hemos logrado sin tener un equipo que abarque la disciplina, ", dijo." Nuestro trabajo hasta ahora ha sido revelador y muy emocionante. We're showing that we're able to open a new chapter on polymer crystallization."


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