Eficiencia vertical para procesos de LSR: Cómo ENGEL reduce a la mitad los tiempos ciclo y maximiza la calidad

La movilidad del hidrógeno se considera una tecnología clave para un futuro climáticamente neutro. En particular, la pila de combustible, como elemento central, plantea los más altos requisitos a la tecnología de fabricación. Un proceso crítico es la aplicación precisa y segura de sellos de silicona líquida (LSR) sobre delicadas capas de difusión de gas (GDL). ENGEL presentó en K 2025 combinando la precisión máxima con una alta rentabilidad y un alto rendimiento.

La pila de combustible es un sistema complejo en el que cada componente debe funcionar sin fallos y con precisión. Las capas de difusión de gas (membranas GDL) desempeñan un papel fundamental: garantizan la distribución uniforme de hidrógeno y oxígeno sobre la capa catalítica, conduciendo los electrones y desvíando el agua de reacción de manera selectiva. Para cumplir estas funciones de manera confiable, las membranas GDL deben fabricarse con una hermeticidad absoluta, sin dañar su delicada estructura porosa. El recubrimiento por inyección de estos componentes sensibles con una delgada junta de silicona líquida plantea los más altos requisitos de fabricación y exige una interacción perfectamente coordinada entre la máquina de moldeo por inyección, el molde y la automatización.

Las membranas GDL son extremadamente delicadas y deben manipularse con el mayor cuidado. Götz Scheibe, gerente de ventas de ACH Solution —especialista en moldes de inyección de silicona y tecnología de dosificación— describe los requisitos: «El desafío comienza ya con la extracción individual de las láminas de membrana, que se entregan apiladas. Se debe retirar exactamente una pieza, sin dañar las membranas adyacentes». Tras la extracción, es necesario un posicionamiento preciso en el molde, lo que normalmente se realiza mediante una estación de precentrado con una tolerancia de ±0,1 mm.

En el molde, la superficie de sellado debe estar diseñada de tal manera que no penetre silicona debajo de la membrana GDL ni se dañe la membrana GDL por la presión de cierre. Sin embargo, el mayor requisito de precisión se refiere al espesor de la pared de la junta: «Estamos hablando de un espesor de pared continuo de ±0,01 mm para una longitud de pieza de 550 mm», explica Scheibe. Esta precisión es decisiva, ya que en una pila de combustible se apilan hasta 300 de estos elementos de sellado. «Incluso las desviaciones de tolerancia más mínimas se acumularían, con el riesgo de tensiones mecánicas o fallos funcionales en la pila de combustible».

Para llevar este proceso, en el que la precisión es fundamental, a la producción en serie y, al mismo tiempo, implementarlo de manera rentable, ENGEL ha diseñado una solución de producción altamente automatizada basada en una máquina de moldeo por inyección vertical de la serie insert. El elemento central de la solución presentada en la K 2025 es una ENGEL insert 150 rotary US con una fuerza de cierre de 1,500 kN y mesa giratoria integrada. El concepto permite procesos paralelos: mientras se inyecta la junta en una estación de molde, en la segunda estación se retira simultáneamente la pieza terminada y se inserta la siguiente membrana GDL. Con un ciclo de solo 50 segundos, el rendimiento de producción de piezas prácticamente se duplica.

Al igual que todas las máquinas de moldeo por inyección sin columnas de ENGEL, la serie vertical insert se caracteriza, además de por la buena accesibilidad al molde, por una distribución sumamente uniforme de la fuerza de cierre en toda la superficie de cierre. Franz Pressl, director de gestión de productos para máquinas sin columnas y verticales, lo explica así: «En las máquinas de moldeo por inyección verticales insert de ENGEL, el paralelismo de las platinas se garantiza mediante la probada tecnología FlexLink, que compensa automáticamente la dilatación del bastidor. Por otro lado, las robustas placas de cierre contribuyen a una compresión muy uniforme del molde. Esto asegura un espesor de pared extremadamente constante en piezas tan grandes y, al mismo tiempo, delgadas».

El diseño vertical ofrece otras ventajas decisivas para esta aplicación. Götz Scheibe explica: «El diseño vertical aprovecha de manera óptima la gravedad. De este modo, no se generan momentos de torsión laterales y el molde se cierra exclusivamente en la dirección de caída. Esto protege las guías y contribuye a la precisión dimensional duradera y a la estabilidad del proceso, lo que supone una clara ventaja frente a las máquinas horizontales». Además, el diseño de la máquina de la serie ENGEL insert es especialmente compacto: el armario de control está integrado verticalmente en la máquina, lo que reduce significativamente el espacio ocupado por la celda de producción —un aspecto importante en el diseño de áreas de fabricación limitadas. La máquina utilizada aquí está equipada con un grupo de inyección hidráulico accionado por el sistema de accionamiento de bajo consumo ENGEL ecodrive. En ENGEL, incluso los grupos de inyección hidráulicos ya cuentan de serie con una precisión tan alta que permite este tipo de aplicaciones.

La serie insert ofrece a las empresas de moldeo por inyección la máxima flexibilidad: gracias a una gran variedad de combinaciones posibles de accionamientos eléctricos e hidráulicos, cada máquina se puede configurar de forma individual y específica para cada aplicación.

Sobre el concepto de mesa giratoria, Scheibe explica: «En principio, esta aplicación también se podría llevar a cabo sin mesa giratoria. Sin embargo, dadas las cantidades requeridas, no podemos permitirnos tiempos de inactividad del molde. La combinación de una máquina de moldeo por inyección vertical y una mesa giratoria permite utilizar el tiempo de inyección en paralelo para la manipulación de piezas, lo que casi duplica la productividad».

Un innovador molde de dos cavidades de ACH Solution garantiza el moldeado exacto de la delicada geometría de la junta. Equipadas con el ACH SERVOSHOT 2G, las boquillas de cierre de aguja con servomotor permiten un llenado de las cavidades de alta precisión y controlable individualmente. «Logramos una precisión de ajuste de dos milésimas de milímetro», destaca Götz Scheibe. Este alto nivel de precisión es decisivo para evitar el llenado insuficiente de las cavidades y la formación de rebabas. Todo el sistema está completamente integrado en el control CC300 de la máquina ENGEL. Scheibe ve en ello una clara ventaja: «La integración en el control ENGEL es especialmente cómoda. Los ajustes se pueden realizar en paralelo al proceso en marcha o de forma externa, sin interrumpir la producción».

La integración también ofrece una visualización gráfica en la que se puede ver de inmediato cómo están ajustadas con precisión las boquillas individuales. Otro elemento clave para la estabilidad del proceso es el canal frío, equilibrado con exactitud tanto térmica como reológicamente. Esto facilita que el técnico de aplicaciones se reincorpore rápidamente al proceso tras largos períodos de inactividad. Scheibe explica: «Nuestro sistema SERVOSHOT permite una optimización precisa de las líneas de unión. De esta manera, nos aseguramos de que la convergencia del material siempre se produzca exactamente en el lugar previsto, un requisito básico para procesos estables y repetibles».

Un sistema ACH MAXIMIX 3G Pro se encarga de la dosificación exacta del material LSR de baja viscosidad —en este caso, un ELASTOSIL® LR 3003/30 de WACKER—. Está diseñado especialmente para pesos de inyección pequeños, como en este caso de solo 20.3 gramos, y garantiza una proporción de mezcla precisa, así como una alta estabilidad del proceso. Este sistema también está completamente integrado en el control CC300 de ENGEL.

La manipulación completa de las delicadas membranas GDL y de los componentes terminados corre a cargo de un robot de brazo articulado ENGEL easix, totalmente integrado en el sistema de control. En un primer paso, retira las láminas de membrana de un sistema de alimentación y las coloca con precisión en la estación delantera del molde de la mesa giratoria. Tras girar la mesa 180 grados, se lleva a cabo el proceso de inyección en la estación trasera. Al mismo tiempo, el robot retira los componentes terminados de la parte delantera e inserta nuevas láminas de membrana. La estrecha sincronización entre el proceso de moldeo por inyección y el movimiento del robot a través del control central CC300 garantiza un proceso estable y perfectamente coordinado.

Un desafío especial es la extracción de las membranas sobremoldeadas del molde caliente. «Como es sabido, la silicona tiene una gran adherencia y la resistencia al desgarro es crítica a temperaturas elevadas», explica Götz Scheibe. «Una fina capa de silicona se daña muy fácilmente cuando está caliente. Aquí se requieren estrategias de desmoldeo adaptadas individualmente». Unos elementos de ayuda al desmoldeo específicos en el molde garantizan que la delicada junta se separe de forma confiable de la pared de la cavidad. Tras la extracción, se eliminan los rebordes de la entrada de material en un paso de trabajo separado.

Para garantizar una alta calidad constante de los componentes, se utiliza el sistema de asistencia digital iQ weight control de ENGEL, que forma parte de la gama». Este analiza la curva de presión de inyección en tiempo real y compensa las fluctuaciones en la viscosidad del material dentro del mismo ciclo. «El sistema iQ weight control detecta diferencias de viscosidad en tiempo real y las compensa automáticamente», afirma Götz Scheibe. «Esto aumenta considerablemente la estabilidad del proceso, aunque en el LSR no se requiera presión de mantenimiento para contrarrestar la contracción de la pieza. Por eso es aún más importante que el volumen de inyección se mantenga siempre constante». El resultado del volumen de inyección constante es un peso de pieza uniforme. Scheibe destaca: «El objetivo principal es la constancia del peso de la inyección. Se trata de un estándar de calidad decisivo, ya que el peso de la pieza dice mucho sobre la calidad del producto.

El sistema demuestra sus puntos fuertes especialmente en los cambios de color, que en el caso de la silicona suelen ir acompañados de variaciones de viscosidad, en ocasiones considerables. Scheibe explica: «Los cambios de color son especialmente críticos en la silicona, ya que las diferentes pigmentaciones influyen en algunos casos de manera significativa en el comportamiento de la viscosidad. El sistema de asistencia iQ weight control compensa estas fluctuaciones y garantiza así una calidad constante de las piezas».

Tras la extracción, cada pieza pasa por una inspección con cámara integrada. Esta inspecciona la junta de LSR y garantiza que la cavidad se haya llenado por completo y que la junta no presente imperfecciones ni rebabas. «Durante este proceso, los rebordes se separan al mismo tiempo», añade Scheibe. La combinación de la precisa tecnología de moldes, el control inteligente del proceso y el control integrado al 100% da como resultado una producción extremadamente estable y con un proceso seguro.

La elección de la silicona líquida como material de sellado no es casual. Este material destaca especialmente en el ámbito de la movilidad del futuro. «Precisamente en los vehículos eléctricos con función de carga rápida se alcanzan temperaturas cada vez más altas. La silicona es indispensable aquí debido a su alta resistencia a la temperatura», resume Götz Scheibe. Los materiales de silicona se utilizan cada vez más en sistemas de refrigeración y baterías, ya que poseen propiedades de disipación del calor. Estas características hacen del LSR el material ideal para aplicaciones de sellado exigentes en la movilidad eléctrica y la tecnología de pilas de combustible.

La celda de producción realizada por ENGEL y sus socios está diseñada para la producción en serie y demuestra de manera impresionante cómo se puede combinar la máxima precisión con tiempos de ciclo cortos. La instalación está diseñada para altos rendimientos: por cada pila de pilas de combustible se necesitan entre 50 y 300 celdas, para las cuales se deben fabricar dos capas de GDL por celda. Todo el concepto apunta a la máxima eficiencia de producción y al menor consumo de energía posible. Gracias a su diseño compacto y a la integración completa de todos los componentes —desde la máquina hasta la automatización y el control de los moldes, pasando por la tecnología de dosificación—, la celda se puede integrar sin problemas en las líneas de producción existentes. ENGEL y ACH ofrecen una solución de sistema perfectamente coordinada, lo que subraya su competencia en procesos multicomponentes exigentes.

La fabricación automatizada de sellos de LSR sobre membranas de GDL muestra de manera ejemplar cómo se pueden superar los desafíos de la movilidad del hidrógeno con la moderna tecnología de moldeo por inyección. La combinación de una máquina vertical de alta precisión, una innovadora tecnología de moldes y canales fríos, así como una automatización perfectamente integrada, permite un proceso de serie estable, económico y de alta calidad. La solución presentada para el sobremoldeado de láminas de membrana delgadas con una junta de LSR colocada con exactitud en un espacio limitado es especialmente eficiente y se puede integrar sin problemas en las líneas de producción existentes. Este tipo de soluciones son la clave para impulsar el avance de la tecnología de pilas de combustible y hacer que la movilidad del futuro sea más sostenible.