Dominando el Vacío de Poliuretano: Claves de Diseño para Prototipos Superiores

El servicio de vacío de poliuretano de 3ERP permite fabricar pequeñas series de piezas plásticas a un coste muy inferior al del moldeo por inyección. Estos prototipos de alta calidad ofrecen un acabado superficial excelente y pueden allanar el camino hacia piezas moldeadas en serie.

Sin embargo, muchos diseñadores de producto desconocen el vacío de poliuretano, que exige una serie única de consideraciones de diseño —tanto para la creación del modelo maestro como para las propias piezas de plástico—. Diseñar piezas para vacío no es lo mismo que diseñar para inyección, por lo que los diseñadores deben familiarizarse con el proceso antes de lanzarse a sus modelos CAD.

Este artículo explica cómo diseñar piezas para vacío de poliuretano. Ofrece consejos para el diseño de características, analiza las tolerancias típicas y destaca las diferencias entre el diseño para vacío y el diseño para moldeo por inyección.

¿Qué es el vacío de poliuretano?

También conocido como fundición al vacío, el vacío de poliuretano es una técnica de prototipado y fabricación de bajo volumen adecuada para crear series de hasta 25 unidades. Es el mismo proceso que la fundición de uretano, término alternativo para denominarlo.

El proceso de vacío de poliuretano consta de tres pasos principales: fabricar el modelo maestro, fabricar el molde de silicona y realizar las fundiciones.

1. Modelo maestro: Mediante un proceso como mecanizado CNC o impresión 3D SLA, el diseñador crea un modelo maestro positivo de las piezas. Alternativamente, puede usarse una pieza preexistente, hecha de prácticamente cualquier material sólido que soporte temperaturas de 40 °C (para la etapa de curado de la silicona), como patrón.
2. Molde: Una caja de fundición se llena a la mitad con silicona líquida con el patrón en el centro. La silicona se cura a baja temperatura en un horno durante 16 horas hasta que se solidifica, formando la primera mitad del molde. Luego se llena el resto de la caja con silicona líquida, que se cura para formar la segunda mitad. Las mitades del molde se separan y el patrón se reserva para usos futuros.
3. Fundición: Los moldes flexibles de silicona se llenan con resina de poliuretano para fundición, que se solidifica dentro del molde adoptando una forma sólida idéntica al modelo maestro original. El molde de silicona puede usarse unas 25 veces antes de necesitar reemplazo.

El vacío de poliuretano es una técnica valiosa porque los moldes de silicona son increíblemente económicos frente al utillaje metálico. Solo duran unas 25 fundiciones, pero suele ser suficiente para prototipar piezas plásticas pequeñas.

Aunque la fundición de resinas de poliuretano no produce piezas funcionales resistentes, tiene puntos fuertes únicos: acabado superficial excelente, amplia gama de colores y transparencias, y gran economía en bajas series.

Fabricación del modelo maestro

Lo primero que debe considerar un diseñador en el diseño para vacío es el modelo maestro. Las técnicas habituales para crear patrones incluyen impresión 3D (SLA, PolyJet, etc.) y mecanizado CNC. Técnicas tradicionales como el modelado manual también pueden usarse, aunque a mayor coste.

Al usar un proceso de fabricación digital como impresión 3D o CNC, los diseñadores deben considerar efectivamente las restricciones de dos procesos a la vez: el de creación del patrón y el de fundición, aunque este artículo se centrará principalmente en consejos de diseño para una fundición eficaz (no para impresión 3D o CNC eficaces).

Ventajas de imprimir en 3D modelos maestros de poliuretano:

• Mayor libertad geométrica
• Más rápido que el mecanizado CNC

Ventajas de mecanizar modelos maestros por CNC:

• Tolerancias más ajustadas que la impresión 3D
• Menor acabado superficial requerido
• Mayor vida útil que los patrones impresos en 3D

Tolerancias y dimensiones

Al diseñar piezas para vacío, los diseñadores deben conocer las tolerancias estándar y dimensiones mínimas/máximas, que difieren de las del moldeo por inyección.

Sin embargo, al usar el vacío como técnica de prototipado para futuras piezas de inyección, puede tener sentido crear un diseño que también sea moldeable por inyección (incorporando ángulos de desmoldeo, etc.).

• Tolerancia: 3ERP puede fabricar piezas de poliuretano con una precisión de ± 0,3 %, con un límite inferior de ± 0,3 mm en dimensiones inferiores a 100 mm.
• Retracción: Las piezas gruesas son más susceptibles a la retracción, que ocurre por cambios de temperatura durante el moldeo. Los diseñadores deben prever una tasa de retracción de aproximadamente +0,15 %.
• Tamaño de pieza: Las piezas de vacío pueden tener dimensiones de hasta 1900 x 900 x 750 mm y un volumen máximo de 10 litros.

Espesor de pared

El espesor mínimo de pared en vacío de poliuretano es 0,75 mm —adecuado para un correcto llenado del molde—, aunque 1,5 mm o más darán los mejores resultados. Si se requieren paredes más finas de 0,75 mm, contáctenos para analizar su diseño.

Al igual que en la inyección, un espesor de pared constante mejora los resultados, ya que reduce la deformación inducida por temperatura. Sin embargo, las variaciones de espesor son menos perjudiciales que en la inyección.

Desmoldeo

Una ventaja del vacío es la flexibilidad de sus moldes de silicona. Al ser flexibles, las piezas terminadas se extraen fácilmente sin expulsores. Esto significa que el desmoldeo —caras cónicas que facilitan la expulsión— no es necesario como en la inyección.

Dicho esto, un pequeño ángulo de desmoldeo de hasta 5° puede prolongar ligeramente la vida del molde de silicona, por lo que puede ser ventajoso en series medianas de piezas que no requieran caras perfectamente rectas. Esto también hace que el diseño sea más adaptable a la inyección (para escalar producción).

Radios

Al diseñar piezas de poliuretano, deben evitarse las esquinas interiores agudas para maximizar la resistencia y estabilidad. Recomendamos añadir redondeos en esquinas interiores con un radio de 3 mm.

El mecanizado CNC para crear el modelo maestro es ideal para añadir redondeos, ya que las herramientas de corte CNC tienen forma cilíndrica y crean esquinas interiores redondeadas naturalmente al mecanizar bolsillos.

Nervios

Para añadir rigidez a piezas de vacío sin aumentar el espesor de pared, los diseñadores pueden incorporar nervios, que aumentan el momento de inercia. Generalmente, es mejor usar varios nervios cortos que uno solo alto, y orientarlos correctamente respecto a donde la pieza podría flexionarse.

Los nervios deben tener radios de esquina amplios y un espesor inferior al 60 % del espesor de pared para evitar retracción y marcas de hundimiento. La altura de cada nervio debe ser inferior a 3 veces su espesor para evitar roturas.

Bosses (Refuerzos para fijaciones)

Las piezas de poliuretano fundido pueden tener bosses —pequeñas protuberancias que alojan fijaciones o insertos roscados—. Estos bosses pueden reforzarse con gussets o nervios de conexión.

Para evitar marcas de hundimiento, el espesor de pared de un boss debe ser inferior al 60 % del espesor de pared de la pieza (como con los nervios). El radio de la base del boss debe ser al menos el 25 % del espesor de pared de la pieza.

Roscas y agujeros

El vacío puede alojar agujeros pasantes y roscas, logrados mejor mediante insertos que añadiéndolos al modelo maestro. Sin embargo, estas características complejas pueden incrementar el coste y no ser necesarias para prototipos.

Para agujeros pasantes, se pueden colocar varillas de centrado en el molde de silicona. Para roscas, lo mejor es incorporar insertos roscados metálicos mediante moldeo con inserto.

Uniones

El vacío puede usarse para fabricar piezas multicomponente con uniones machihembradas. Debe incorporarse un pequeño juego de revelado en la unión entre componentes.

Características superficiales

Características superficiales como textos y logotipos pueden incorporarse en piezas de vacío. En general, estas características —especialmente en forma grabada (rehundida)— son mucho más fáciles de añadir usando modelos maestros mecanizados por CNC que con impresos en 3D.

Para mejores resultados, letras y números deben estar espaciados al menos 1,3 mm.