Moldeo por inyección de silicona vs impresión 3D: Elegir el mejor método para piezas elastoméricas

¿Qué es un elastómero?

Desde juntas industriales hasta las suelas de sus zapatos, las piezas elastoméricas son ubicuas y únicas. Hechas de elastómeros, un grupo de polímeros similares al caucho, estos componentes flexibles, elásticos y absorbentes de impactos son fáciles de fabricar —y pueden producirse de varias formas.

Una forma de producir piezas elastoméricas es el moldeo por inyección. No el moldeo por inyección de termoplásticos, sino el moldeo por inyección de termoestables como caucho de silicona líquido: este material se inyecta en estado líquido y luego se cura para solidificarlo. Pero hoy hay una gran alternativa al moldeo por inyección de silicona líquida, y esa es la impresión 3D de materiales flexibles como TPE y TPU. Ya no son materiales de especialidad, TPE y TPU ahora pueden imprimirse en 3D en impresoras FDM de bajo coste.

Este artículo examina los fundamentos de las piezas elastoméricas: sus propiedades, aplicaciones y si debe optar por moldeo por inyección o impresión 3D.

Definición de elastómero

Un elastómero se define como un polímero con un módulo de Young bajo, una deformación a rotura alta y viscoelasticidad —una combinación de viscosidad y elasticidad. A veces denominados simplemente cauchos, los elastómeros son en realidad una categoría más amplia que incluye materiales no vulcanizados.

En términos sencillos, los elastómeros (polímeros elásticos) son materiales que son, en diversos grados, elásticos, extensibles, flexibles o deformables a temperatura ambiente. Esto se debe a sus enlaces intermoleculares débiles. Todo esto hace que los elastómeros sean increíblemente útiles. Como pueden doblarse y estirarse sin romperse, se usan en muchas aplicaciones donde un material más rígido fallaría en su propósito.

Los elastómeros pueden ser termoestables (no se funden al calentarse) o termoplásticos (se funden al calentarse), y algunos de los elastómeros más comunes incluyen:

• Caucho natural
• Caucho butadieno
• Caucho estireno-butadieno
• Etileno-propileno monómero

Sin embargo, como este artículo se centra en prototipado y dos procesos de fabricación en particular, prestaremos mayor atención a la silicona, el elastómero termoplástico (TPE) y el poliuretano termoplástico (TPU). La silicona es un termoestable, mientras que TPE y TPU son termoplásticos y por tanto pueden ser extruidos por una impresora 3D.

Ejemplos de piezas elastoméricas

Los elastómeros son increíblemente comunes y se encuentran en objetos cotidianos simples y ensamblajes industriales complejos. Aquí vemos varias piezas elastoméricas categorizadas por industria, así como algunas aplicaciones específicas de material.

1. Automoción

Para neumáticos y mucho más, los elastómeros son esenciales para la producción de muchos componentes de automoción.

• Neumáticos
• Equipos de amortiguación de vibraciones
• Limpiaparabrisas
• Componentes de suspensión
• Sellos y juntas

2. Industrial

Los elastómeros se usan ampliamente en la industria, especialmente para sellos y juntas para ensamblajes estancos al agua y al aire.

• Sellos y juntas
• Aislamiento eléctrico
• Cintas transportadoras
• Correas de transmisión
• Mangueras y tubos

3. Petróleo y gas

Los elastómeros, especialmente los sintéticos, se encuentran en la industria del petróleo y gas, donde a menudo sirven para prevenir fugas de petróleo.

• Sellos hidráulicos
• Limpiadores de tuberías
• Copas de empaquetadura
• Mangueras

4. Bienes de consumo

Un gran número de productos de consumo están hechos de elastómeros, desde balones hasta gomas de borrar.

• Calzado incluyendo suelas
• Impermeables
• Esponjas
• Gomas de borrar
• Artículos deportivos incluyendo balones
• Recipientes de alimentos

Ejemplos específicos por material

Como este artículo se centra en caucho de silicona líquido moldeable por inyección y filamentos TPE y TPU imprimibles en 3D, aquí hay algunos usos comunes para estos tres materiales:

• Silicona: Equipos médicos biológicamente compatibles, prótesis, dispositivos aptos para alimentos como cubiteras, sellos y juntas, componentes sobremoldeados
• TPE: Sellos y juntas, revestimientos de tapones de botellas, orugas de motos de nieve, componentes médicos incluyendo catéteres, mangos de herramientas, bujes de suspensión, componentes sobremoldeados
• TPU: Fundas de electrónica, ruedas giratorias, componentes médicos, correas de transmisión, calzado, artículos inflables, revestimientos y tubos para cables

Moldeo por inyección de elastómeros

Hay numerosas formas de fabricar piezas elastoméricas, pero una de las más fiables —especialmente en grandes cantidades— es el moldeo por inyección.

El moldeo por inyección es el proceso de fabricar piezas de plástico inyectando, a presión, un material líquido en un molde metálico, generalmente de acero o aluminio. Durante el proceso, la máquina de moldeo por inyección alimenta la materia prima en el molde, cuya geometría es una impresión negativa de la pieza final y que normalmente consta de dos secciones con una cavidad entre ellas.

El moldeo por inyección es compatible con elastómeros termoestables como la silicona líquida, y es una excelente manera de fabricar piezas flexibles, resistentes a impactos y a la temperatura en grandes cantidades. Antes del moldeo, se mezcla una solución de silicona de dos partes, una mitad de la cual contiene un catalizador de platino que permite que la silicona cure en sólido.

El moldeo por inyección de silicona líquida puede producir piezas como juntas, equipos médicos, equipos de cocina, secciones sobremoldeadas de ensamblajes multi-material, y más.

Ventajas

Hay varias ventajas al moldear silicona por inyección, incluyendo producción rápida de grandes volúmenes, alto nivel de detalle, buenas propiedades de material y bajo coste por pieza en ciertas cantidades medias-altas.

Desventajas

Limitaciones del moldeo por inyección de silicona líquida incluyen altos costes de utillaje metálico y restricciones geométricas inherentes al proceso de moldeo, incluyendo paredes delgadas y esquinas redondeadas.

Impresión 3D de elastómeros

Una alternativa al moldeo por inyección de silicona líquida es la impresión 3D de filamentos flexibles como TPE y TPU. Aunque estos materiales también pueden moldearse por inyección, la impresión 3D ofrece una alternativa más radical que puede ser adecuada para diferentes tipos de proyectos, incluyendo prototipos únicos.

Una de las mayores ventajas de la impresión 3D de elastómeros como TPE y TPU es que estos materiales son termoplásticos y por tanto pueden convertirse en filamento de impresión 3D FDM adecuado para fundición y extrusión. FDM es la forma más barata de impresión 3D —tanto en coste de máquina como operativo— y esto significa que piezas elastoméricas de alta calidad pueden fabricarse por cualquiera.

Los filamentos TPE y TPU tienen sus usos. El TPU es un material más duro, denso y rígido que el TPE, con mejor resistencia a la abrasión y menos posibilidad de contracción. Sin embargo, es menos flexible que el TPE, que puede usarse para fabricar piezas tan flexibles como bandas de goma.

Aunque se debe tener cuidado al imprimir en 3D elastómeros, especialmente TPE (las velocidades de impresión deben ser lentas, y los extrusores de accionamiento directo funcionan mejor que los Bowden), virtualmente cualquier impresora FDM puede procesar estos materiales.

Piezas elastoméricas comunes impresas en 3D incluyen mediasuelas de calzado TPU y wearables electrónicos, y mangos, mangueras y fundas de smartphone de TPE.

Ventajas

Ventajas de la impresión 3D de filamentos flexibles incluyen costes muy bajos incluso para pequeñas cantidades, sin costes de utillaje, y geometrías casi ilimitadas (internas y externas). Esto hace que el proceso sea altamente adecuado para prototipado elastomérico.

Desventajas

Limitaciones de la impresión 3D de piezas elastoméricas de TPE y TPU incluyen precisión y nivel de detalle (comparado con moldeo por inyección), velocidad de producción y escalabilidad, ya que no hay economía de escala ni en coste ni en ahorro de tiempo.

Conclusión

El moldeo por inyección de silicona líquida y la impresión 3D FDM son ambas excelentes formas de producir piezas elastoméricas. El moldeo por inyección es el líder en calidad de pieza y escalabilidad, pero la impresión 3D es una opción conveniente y asequible para prototipos, especialmente únicos.

Al fabricar piezas o prototipos elastoméricos, debe considerar factores como presupuesto, número de unidades, propiedades de material requeridas y necesidades de producción futura antes de decidir su próximo curso de acción —una decisión en la que 3ERP puede ayudar.

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