Moldes de inyección con impresión 3D para series de tirada corta

Todo el mundo habla de cómo la impresión 3D está revolucionando la forma en que el prototipado y el diseño son más rápidos y con más libertad que nunca. Pero una cosa que no está recibiendo la atención que merece es la impresión 3D aplicada a los moldes de inyección.

Ciertamente, no es una de las aplicaciones más glamurosas de la fabricación aditiva pero es una de las que puede crear cambios más significativos en la industria de la fabricación.

A continuación veremos cómo las producciones en serie de tirada corta a través de moldes de inyección hechos con impresión 3D son la solución perfecta y más económica. Hablaremos tanto de lo ocurrido hasta ahora, lo que está ocurriendo en este momento y también lo que está por llegar.

Moldes de inyección tradicionales

El moldeado de inyección fue patentado en 1872 por dos hermanos (John & Isaiah Hyatt) quienes construyeron una máquina que funcionaba como una aguja hipodérmica: empujando el plástico a través de un agujero hasta un cilindro caliente y fue creado curiosamente, para atender las necesidades de un fabricante de bolas de billar.

James Hendry, fue un paso más allá en los años 40, construyendo la primera máquina de inyección de moldes.

En lugar de un émbolo que empujaba el plástico a través de un orificio, se colocó una pieza en el cilindro que mezclaba el material de inyección antes de empujar hacia delante e inyectar el material en el molde.

Este es el método más común y el más utilizado hasta el día de hoy, dando más precisión y rapidez gracias al proceso de premezcla del material y las mejoras en la automatización.

El moldeado por inyección es usado por una gran cantidad de industrias, siendo el método de fabricación de muchísimos productos.

El por qué se usa para producción en masa es muy sencillo: con un solo molde puedes inyectar plástico barato una y otra vez creando miles de copias del mismo producto y cuantas más producción, más barata sale la inversión en el molde que se usa para fabricarlos.

Aquí os mostramos un gráfico que explica el método tradicional de forma muy clara:

Pero un problema es que no se pueden crear muchas geometrías con moldes de inyección al uso ya que hay muchas limitaciones de diseño a la hora de crear un molde.

Algunas de ellas son el tipo de material de la pieza y del molde, la geometría de los componentes y los requistos del diseño de los moldes (ángulo de tracción, nervios, refuerzos, espesor de la pared, etc).

El tema de las geometrías en el moldeo por inyección es un escollo ya que hay que asegurarse que la pieza se pueda sacar bien del molde.

Las marcas de los pasadores de expulsión se pueden ver cuando observamos la mayoría de los bienes fabricados en masa y es una de las consideraciones a tener en cuenta cuando el molde se crea.

Podemos apreciarlos en la siguiente imagen:

Tradicionalmente, los moldes de inyección son fabricados por una empresa especializada en fabricar moldes que mecaniza barras de cromo que se colocan en un bloque, conocido como base. Esta base se muele para adaptarla a los requerimientos de la geometría del molde.

Entonces se perforan las dos mitades del molde para añadir los casquillos y los pasadores guía, que mantienen unidas ambas partes durante el proceso de inyección.

Después se realiza un pulido del molde para eliminar imprecisiones e imperfecciones, creando así el molde final.

Todo esto conlleva un largo proceso en el que solo el mecanizado CNC puede tardar hasta 20 horas e implica una gran variedad de técnicas de fabricación y conlleva que la empresa que lo lleve a cabo tenga que estar específicamente equipada para poder hacer frente a los estrictos requisitos de fabricación.

Pasar de un bloque metálico a un esquema y de eso a un detalle afinado mientras se va cambiando el método de fabricación para conseguirlo, conlleva largos plazos de entrega con los que los ingenieros que esperan su pieza tienen que lidiar.

Por no hablar de los altos costes que genera un proceso tan largo y complejo.

El moldeo por inyección es y seguirá siendo un método muy usado por la industria cuando hablemos de producción en masa, gracias a producirlas con gran velocidad y a bajo coste.

Ya vemos que no es tan sencillo como producir un molde metálico y meterlo en la máquina ya que requiere de varios pasos de fabricación bastante complejos y además requiere de unas consideraciones estrictas en cuanto a material, diseño, etc.

Teniendo en cuenta todo esto,

¿Qué papel puede jugar la impresión 3D en este complejo sector y qué lugar puede tener en la producción en masa?

Polyjet (tecnología de impresión 3D)

La primera tecnología 3D en saltar al mundo de la fabricación de moldes fue el de inyección de material, de la mano de las máquinas de Stratasys Connex Polyjet

Esta tecnología es parecida a la de impresión por chorro de tinta pero en vez de inyectar tinta en un papel, estas impresoras 3D inyectan capas de un fotopolímero líquido en una bandeja de impresión y las endurecen instantáneamente usando luz ultravioleta.

Esta tecnología usa un material de soporte que se rompe fácilmente para poder crear geometrías complejas que serían muy difíciles de plantear con las herramientas tradicionales.

Pero el problema principal para la impresión 3D a la hora de la fabricación industrial de moldes eran los materiales. Normalmente, los materiales de impresión 3D no tenían las propiedades adecuadas para soportar las presiones y el calor ejercidos a lo largo del proceso de moldeo por inyección.

Debido a esto, Stratasys lanzó un material en forma de ABS Digital, una resina foto reactiva, capaz de soportar altos impactos y diseñada específicamente para moldeo de inyección

Es importante resaltar que los moldes de inyección tradicionales pueden soportar unas 1.000 piezas producidas y el ABS Digital no pretendía reemplazar este método de producción masivo, debido a que este tipo de moldes van perdiendo calidad conforme van haciendo copias del producto en cuestión.

Sin embargo para tiradas cortas sí es una opción. La mayoría de moldes de ABS Digital duran de 10 a 100 reproducciones de una pieza, dando a las empresas la oportunidad de efectuar producciones de prueba con el objetivo de encontrar defectos de diseño que pueden salir muy caros por medio del método tradicional, antes de pasar a la producción masiva.

La creación del molde de Polyjet es donde se pueden ver claramente los beneficios de la impresión 3D en tiradas cortas frente a los moldes de inyección tradicionales.

No necesitas enormes bloques de acero ni muchas técnicas de fabricación distinta y lo que es aún más importante, si tienes la impresora, no necesitas subcontratar la producción.

Todas estas ventajas reportan un gran ahorro de tiempo y dinero. Si necesitas crear 100 copias o menos de un producto tiene mucho más sentido imprimir el molde en ABS digital en lugar de fabricar un molde de inyección tradicional con los enormes gastos que este conlleva.

Si ya hablamos de una producción de más de 100 piezas entonces lo mejor es el moldeo por inyección tradicional.

El proceso de impresión 3D de moldes de inyección conlleva estos pasos:

  1. Diseñe el molde teniendo en cuenta el diseño y las dimensiones adecuadas.
  2. Imprime el molde- asegúrate que las capas estén orientadas en la misma dirección en la que el polímero fluirá dentro del molde.
  3. Acabado opcional. La mayoría de estos moldes no necesitan post procesado.
  4. Monta el molde. Coloca el molde dentro de la máquina de inyección.
  5. Fabrica tu prototipo- separa las partes del molde y extrae la pieza.

SLA (estereolitografía con impresión 3D)

Este año se ha dado importante paso en el mundo de los moldes de inyección gracias a una empresa de impresión 3D. Esta vez, ha sido Formlabs la que ha venido a romper el mercado con su impresora de escritorio Form 2 y un nuevo material de resina de alta temperatura.

La Form 2 de Formlabs usa la tecnología de estereolitografía (SLA), que usa una resina líquida de fotopolímero, como la Polyjet, pero en vez de usar una boquilla de donde sale el chorro de material, se solidifica éste usando un láser UV a través de la parte inferior de una cubeta llena de resina.

Las piezas de SLA se unen así químicamente dando lugar a piezas densas e isotrópicas.

Esta nueva resina de alta temperatura ha sido diseñado específicamente para procesos que requieran de una alta temperatura continuada.

El material tiene una temperatura de deflexión de calor (HDT) de 289 grados centígrados y aguanta 0,45 MPA (mgapascales) de presión, convirtiéndolo en el material de impresión 3D del mercado que más temperatura y presión aguanta.

Estos moldes de alta temperatura han sido probados con materiales plásticos comunes como LDPE, PP, TPE, PLA, ABS, HDPE, EVA y PS y no muestran degradación signos de degradación en la superficie por temperatura tras 25 utilizaciones.

El objetivo principal de este nuevo material es poner al alcance de muchas empresas la fabricación interna de piezas de corta tirada.

Con la combinación de una Form 2 y una máquina de moldeo por inyección asequible como la Galomb Model-B100, que cuesta menos de 9.470 euros ya se puede empezar a producir.

La combinación de ambos equipos es unas 15 veces más barata que la impresora Polyjet más barata de impresión ABS Digital.

Es importante considerar que la resina de alta temperatura debe pasar un proceso de “post-curado” con UV para darle a la pieza sus propiedades de alta temperatura.

Este proceso es necesario para mejorar las propiedades del material. Eso sí, tenemos que tener las limitaciones de tamaño para los moldes de inyección, que nos viene dadas por la impresora y que son de 14,5 x 14,5 x 17,5 cm.

Lo bueno que ofrece el material de Formalabs es que ofrece un proceso de fabricación ágil.

Esto permite a ingenieros y diseñadores modificar los moldes con facilidad, mejorándolos, sin grandes pérdidas de tiempo y dinero, con beneficios similares a los que proporciona el material ABS Digital de Stratasys a nivel de prototipado rápido.

El momento idóneo para usar la resina de alta temperatura es cuando quieres probar el mercado y obtener feedback de tus clientes cuando hablamos de series de producción cortas.

Cualquier producción menor de 25 unidades hace que la resina de alta temperatura sea la opción más económica, muchísimo más económica que crear un molde nuevo de la forma tradicional.

Conclusiones

Como hemos visto, los moldes de inyección fabricados de forma tradicional seguirán siendo por el momento la mejor opción cuando hablamos de producción masiva.

Sin embargo, es importante a tener en cuenta la cantidad ingente de dinero que gastan muchas industrias en producciones de corta tirada, algo que la impresión 3D puede compensar reduciendo en gran medida el tiempo y los costos productivos asociados.

Empresas de fabricación como Robert Seuffer GMH & Co (White Goods, Vehículos Comerciales) están ya usando moldes con la tecnología Polyjet, fabricados en pocos días y con un ahorro en coste de un 96%, en comparación con la creación de moldes de metal tradicionales.

Ahora Formlabs está intentando proporcionar los mismo beneficios, pero a un precio mucho menor.

Será muy interesante ver cómo evoluciona la producción de series cortas con la aplicación de estas nuevas tecnologías.

Lo beneficios reales del prototipado con impresión 3D (ahorro de tiempo y dinero), están llegando de forma lenta pero segura a la fabricación de moldes, haciendo de la fabricación aditiva una opción viable para hacer series de producción cortas.

Ya hemos visto como la Polyjet es perfecta para moldes grandes en tiradas de hasta 100 copias y la Form 2, co su resina de alta temperatura es ideal para moldes un poco más pequeños y con series de producción cortas con un coste aún más reducido.

Lo que es seguro es que los materiales seguirán evolucionando en esta área y conforme lo hacen también lo harán las posibilidades de la impresión 3D.

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2018-10-08T17:04:47+00:00

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