Moldeo por inyección de policarbonato:guía experta en materiales, procesos y diseño

El policarbonato (PC) es un material apreciado por su resistencia al impacto y su transparencia. Puede parecer vidrio, pero en términos de resistencia, es lo menos parecido al vidrio que puedas imaginar:puedes encontrarlo en ventanas a prueba de balas, escudos antidisturbios y otras piezas ultrarresistentes diseñadas para ser casi irrompibles.

Aunque se puede procesar mediante extrusión, termoformado e incluso impresión 3D, una de las mejores formas de fabricar piezas de policarbonato es el moldeo por inyección. El material plástico fundido es bastante viscoso, pero aún así se puede inyectar con precisión en las cavidades del molde para fabricar piezas de plástico de diversas formas y tamaños.

Este artículo repasa los conceptos básicos del moldeo por inyección de policarbonato, incluidos los parámetros del proceso, las reglas de diseño y las aplicaciones populares.

¿Qué es el policarbonato?

Transparentes como el vidrio y resistentes como algunos metales, los policarbonatos (PC) son polímeros termoplásticos cuyas estructuras químicas contienen grupos carbonato. Adecuados para una variedad de procesos de fabricación, incluido el moldeo por inyección y el termoformado, estos materiales son fuertes y resistentes, y también ofrecen buena resistencia térmica y transparencia.

Químicamente, el policarbonato es un poliéster de ácido carbónico formado de dos maneras:mediante una reacción de policondensación entre bisfenol A (BPA) y fosgeno (COCl₂), o mediante transesterificación utilizando carbonato de difenilo. La unidad estructural repetida del policarbonato contiene anillos aromáticos unidos por grupos carbonato, lo que le da al material su notable rigidez y transparencia.

Como el policarbonato es un termoplástico, se puede fundir y formar, lo que lo hace ideal para procesos como el moldeo por inyección. Los gránulos de PC para moldeo por inyección se fabrican extruyendo el material en hebras y cortándolo en trozos uniformes. Estos gránulos de plástico normalmente cuestan unos pocos dólares el kilogramo. Comparativamente hablando, los materiales de policarbonato cuestan más que los termoplásticos comunes como ABS, PE y PP, pero su precio es comparable al de muchos nailon.

En resumen, el policarbonato es un plástico bastante trabajable conocido por su claridad, resistencia y resistencia al calor, lo que lo convierte en un material ideal para productos moldeados como lentes, protectores de seguridad y carcasas electrónicas.

Propiedades del material de policarbonato

Propiedad Valor Nota Densidad 1,20–1,22 g/cm3Moderado para un termoplástico de ingeniería; Más denso que el ABS pero menos que el vidrio, lo que hace que el PC sea adecuado para aligeramiento óptico y estructuralYoung ’ módulo 2,0–2,4 GPaRigidez moderada; más rígido que el PE y el PP pero menos que los acrílicosResistencia a la tracción 55–75 MPaRelativamente alto para un termoplástico amorfo; similar al nailon y cercano a algunas aleaciones de aluminioTemperatura de transición vítrea 147 °CMuy alto para un termoplástico común, lo que produce una buena estabilidad dimensional y resistencia al impacto a altas temperaturasRango de temperatura de trabajo -40 °C a 130 °CVentana operativa relativamente amplia; Conserva la dureza a temperaturas bajo cero sin volverse quebradizo.

El proceso de moldeo por inyección de policarbonato

El moldeo por inyección de policarbonato es un proceso potente y rentable para producir grandes volúmenes de piezas de plástico de alta resistencia con un buen nivel de claridad. Aunque el proceso de moldeo por inyección de policarbonato es similar al de otros plásticos en ciertos aspectos, requiere un control preciso de la temperatura debido al alto punto de fusión del material.

El proceso en resumen:

• Secado de pellets
• Llenado de tolva
• Fundición de perdigones en barril
• Inyección en la cavidad del molde
• Expulsión de piezas terminadas
• Postprocesamiento

Antes de que comience el proceso de fabricación, los gránulos de policarbonato normalmente se secan a temperaturas moderadas. Esto se debe a que el PC es altamente higroscópico y no secar los gránulos adecuadamente puede provocar defectos de fabricación causados por la absorción de agua.

Una vez preparados los gránulos de PC, se introducen en la tolva de la máquina de moldeo por inyección, donde un tornillo alternativo los mueve hacia el barril calentado. Las temperaturas de moldeo por inyección de policarbonato suelen estar en el rango de 260 a 320 °C, significativamente más altas que las de materiales de bajo costo como el ABS. Debido a su viscosidad relativamente alta, el policarbonato fundido se inyecta a una presión bastante alta en la cavidad del molde.

El policarbonato derretido llena la cavidad del molde. A medida que se enfría y solidifica, asume la forma de la cavidad. Una vez completamente solidificada, la pieza moldeada se expulsa del molde abierto mediante pasadores eyectores.

Los tiempos de ciclo para las molduras de policarbonato varían de aproximadamente 30 segundos a aproximadamente dos minutos, según el tamaño de la pieza, el espesor de la pared, la temperatura del molde y otros factores.

En cierto modo, el policarbonato es un material de extremos. Su nivel inusualmente alto de transparencia óptica, solidez y resistencia al calor lo hace deseable en muchas industrias. Sin embargo, esas propiedades exigen parámetros de proceso bastante extremos, como altas temperaturas de moldeo por inyección y presión de inyección.

Los factores que afectan los parámetros de moldeo ideales incluyen el grado específico del material de PC, la geometría de la pieza y el espesor de la pared, y el tipo de molde.

• Temperatura del barril :Normalmente entre 260 y 320 °C, con grados de uso general cerca de 270 y 300 °C y grados reforzados o retardantes de llama en el extremo superior. El perfil de temperatura debe aumentar gradualmente desde la zona de alimentación hasta la boquilla para garantizar una fusión uniforme sin degradación.
• Temperatura del molde :80–120 °C, más alto que la mayoría de los termoplásticos, para reducir la tensión interna y mejorar la claridad óptica o el acabado de la superficie. Las temperaturas más bajas del molde pueden acortar los tiempos de los ciclos (el material se enfría y solidifica más rápido), pero conllevan un riesgo de deformación o turbidez en las piezas transparentes.
• Presión de inyección :15 000 a 25 000 psi, ya que la viscosidad del PC es relativamente alta. Las piezas complejas o de paredes delgadas pueden necesitar presiones más altas o velocidades de inyección más rápidas para evitar disparos cortos.
• Tasa de inyección :De moderado a rápido, lo que garantiza que se proporcione suficiente tiempo para el llenado completo de la cavidad sin correr el riesgo de tensión inducida por cizallamiento o quemaduras en la puerta causadas por las altas temperaturas involucradas.
• Control de humedad :3 a 4 horas de secado a 120 °C, ya que la PC es altamente higroscópica e incluso trazas de humedad causan degradación hidrolítica, lo que genera burbujas o reduce la resistencia de las molduras finales. Los pellets también deben guardarse en recipientes sellados o en secadoras hasta que estén listos para su uso.

También se pueden utilizar técnicas de moldeo por inyección no estándar para moldear piezas de policarbonato. Por ejemplo, el moldeo por inyección asistido por agua se puede implementar para evitar defectos en piezas grandes y de paredes delgadas, mientras que el moldeo por inyección por compresión es mejor para piezas de paredes gruesas que, de otro modo, podrían sufrir marcas de hundimiento.

Materiales de policarbonato para moldeo por inyección

Los materiales de moldeo por inyección de policarbonato vienen en diferentes grados y se pueden mezclar con ciertos aditivos para producir diferentes efectos, y algunos plásticos de PC están optimizados para un uso final o industria en particular. Los principales productores de materiales para PC incluyen Covestro, SABIC, Mitsubishi Chemical y LG Chem.

• PC de uso general ofrece un equilibrio entre resistencia, transparencia y resistencia al calor para la más amplia gama de aplicaciones.
• PC de alto flujo tiene un índice de flujo de fusión más alto y puede usar aditivos como tereftalato de polibutileno de bajo peso molecular para mejorar el flujo, lo que facilita la inyección en las cavidades del molde.
• PC ignífugo normalmente contiene aditivos a base de fósforo o azufre para extinguir el fuego.
• PC de calidad alimentaria normalmente está aprobado por una agencia como la FDA para el contacto directo con sustancias alimentarias.
• PC de calidad sanitaria Por lo general, está aprobado por una agencia como la FDA y puede ser biocompatible y estar aprobado para esterilización con rayos gamma, EtO o vapor.
• PC resistente a la intemperie normalmente contiene estabilizadores UV para mejorar la resistencia a la intemperie y se utiliza en la industria automotriz y otras industrias.

Aunque es un material fuerte y limpio, el policarbonato se puede reforzar con fibras de vidrio o de carbono picadas. También se pueden agregar modificadores de impacto para mejorar la resistencia y tenacidad al impacto. Algunos grados incluyen agentes desmoldantes que evitan que las molduras terminadas se adhieran al molde de metal. Otros aditivos pueden incluir rellenos, aditivos antiestáticos y tintes para proporcionar un color fijo a las molduras terminadas.

Las mezclas de policarbonato se utilizan para lograr diferentes propiedades de los materiales o reducir el coste de las piezas moldeadas. Las mezclas comunes incluyen PC/ABS para mejorar la procesabilidad, PC/PBT para mejorar la resistencia química y PC/PMMA para mejorar la resistencia a los arañazos mientras se mantiene una excelente claridad óptica.

Moldes para Policarbonato

El moldeado de policarbonato requiere un molde de metal duradero que pueda resistir altas temperaturas y presiones durante numerosos ciclos. Por lo tanto, los moldes de PC generalmente se fabrican con aceros para herramientas endurecidos, como H13, S7, o grados inoxidables como 420. Estos materiales pueden resistir la fatiga térmica, el desgaste y la corrosión causados por la exposición prolongada al material fundido de PC caliente.

Una dificultad al moldear policarbonato por inyección es que el material tiende a adherirse al interior del molde, lo que hace que la expulsión sea más difícil que con otros termoplásticos. Debido a esto, se prefieren los acabados de alto brillo en el molde a los texturizados, y se puede aplicar un recubrimiento de níquel o cromo para mejorar el desmolde y al mismo tiempo mantener la claridad óptica de las piezas transparentes.

Los moldes de aluminio se pueden utilizar para la creación de prototipos de policarbonato o para la producción de bajo volumen, pero su relativa suavidad en comparación con los aceros para herramientas puede causar problemas. Independientemente del material del molde, una ventilación adecuada es clave para evitar marcas de tensión o burbujas.

Acabado de superficies de policarbonato

Se utilizan varias técnicas de posprocesamiento y acabado de superficies para el moldeo por inyección de policarbonato. Sin embargo, la elección de la técnica depende del uso final de la pieza, ya que las piezas ópticas requieren un tratamiento diferente al de las piezas mecánicas o estructurales.

El policarbonato moldeado da una impresión fiel de la superficie del molde, por lo que a menudo se recomienda crear moldes con un acabado de alto brillo, como se mencionó en la sección anterior. Esto es importante para las piezas ópticas, donde la textura superficial no deseada puede reducir la claridad en piezas como lentes o carcasas de lámparas. En el otro extremo del espectro, las piezas que requieren cierto grado de rugosidad superficial se pueden fabricar mediante grabado químico o láser en el interior del molde. Estas piezas pueden requerir un mayor ángulo de inclinación para superar la fricción adicional y facilitar la expulsión.

Técnicas de acabado de superficies de moldeo por inyección de policarbonato

Proceso Función Notas Texturizado Ajusta la rugosidad de la superficie. Texturas agregadas directamente al interior del molde; Se requiere un mayor ángulo de inclinación para texturas muy rugosasLijado y pulido Elimina pequeñas imperfecciones, alisa superficies y mejora la claridad óptica. Posibilidad de técnicas manuales y mecánicasPulido con vapor Suaviza las superficies, crea un mayor nivel de transparencia. El cloruro de metileno u otros vapores de solventes son las condiciones más efectivas pero controladas que se requierenPintura y revestimiento Agrega color, protección UV o resistencia a los rayones. Excelente adhesión posible; Los acrílicos de capa dura son un recubrimiento común para piezas transparentesGalvanización y metalización Agrega una capa metálica para estética o protección EMI. Se necesita una capa base conductora; metalización al vacío y niquelado no electrolítico más comunesImpresión Agrega logotipos, símbolos y texto. Buena adherencia de la tinta mediante tampón o serigrafía.

Guía de diseño de moldeo por inyección de policarbonato

Al diseñar piezas complejas de moldeo por inyección que se fabricarán a partir de plástico PC, los ingenieros deben considerar los principios de diseño para fabricación (DFM) del moldeo por inyección, así como las propiedades únicas del policarbonato.

Espesor de la pared

1 –4  mm

La PC debe tener un espesor de pared relativamente uniforme para evitar tensiones internas y distorsiones ópticas. Las secciones delgadas de menos de 1 mm pueden ser difíciles de llenar debido a la alta viscosidad del material fundido, mientras que las paredes gruesas de más de 4 mm corren el riesgo de marcas de hundimiento y tiempos de enfriamiento prolongados.

Ángulo de salida

0,5–2 ° (hasta 3 –5 ° para superficies texturizadas)

Debido a que el PC se adhiere fuertemente al acero pulido y tiene una baja contracción, los ángulos de salida generosos son importantes para una expulsión adecuada. Las superficies texturizadas o mate requieren una mayor corriente de aire para evitar raspaduras o blanqueamiento por estrés.

Radios

Al menos 0,6 mm o ¼–½ grosor de la pared Las esquinas afiladas concentran la tensión y pueden provocar grietas, especialmente en piezas de PC transparentes. Los radios internos y externos mejoran el llenado del molde y la resistencia al impacto, mientras que las transiciones de los radios deben ser suaves y fileteadas.

Costillas

Altura hasta  3× espesor de la pared; espesor ½ grosor de la pared

Las nervaduras proporcionan rigidez sin añadir peso. Debido a que la PC se enfría lentamente, las nervaduras demasiado gruesas pueden causar marcas de hundimiento en las superficies visibles. Las bases de las costillas redondeadas y el espaciado uniforme pueden ayudar a lograr mejores resultados.

Jefes

Espesor de la base  ½ grosor de la pared

Los resaltes deben tener núcleo para evitar secciones gruesas y el riesgo de huecos internos. Los tornillos o insertos roscados son comunes para el ensamblaje de piezas de PC, pero deben evitar una tensión excesiva para evitar grietas.

Tolerancia

± 0,05 –0,2 mm

Las piezas de PC pueden lograr una alta precisión dimensional gracias a la baja contracción (~0,5–0,7%) del plástico. Pero se deben evitar tolerancias muy estrictas en piezas ópticas o grandes, ya que se pueden desarrollar tensiones internas y deformaciones durante el enfriamiento.

Puertas

Se prefieren las compuertas de borde, abanico o lengüeta para lograr un flujo uniforme y reducir el esfuerzo cortante. Para piezas ópticas, utilice puertas grandes para reducir la velocidad de inyección y evitar líneas de flujo.

Respiraderos

0,02–0,04 mm

Una ventilación adecuada evita trampas de gas y marcas de quemaduras, especialmente dada la alta viscosidad del PC. Las rejillas de ventilación deben ser lo suficientemente pequeñas para evitar chispas y al mismo tiempo permitir que escape el aire atrapado. Se recomienda ventilar cerca de líneas de soldadura o elementos gruesos.

Asistencia de software

Muchas herramientas CAD ofrecen asistencia en moldeo por inyección para facilitar el diseño de piezas moldeadas de policarbonato. Estas características pueden incluir:

• D F Análisis M :Comprueba características clave como el espesor de la pared, los ángulos de salida, las socavaduras y la ubicación de la puerta para validar el diseño para el moldeo por inyección.
• Análisis de procesos :Funciones como el análisis del flujo del molde, la predicción de la contracción y el análisis de elementos finitos (FEA) brindan a los usuarios una idea de cómo se comportará la PC durante el moldeo.
• Creación de moldes :Generación automática de moldes simples o complejos basados en el diseño de la pieza, incluida la ubicación del pasador expulsor y otras características.
• Integración CAM :Integración con el software CAM que controla el equipo de fabricación, lo que garantiza una transición perfecta del diseño a la producción.

Aplicaciones de moldeo por inyección de policarbonato

Con su equilibrio de propiedades mecánicas y ópticas deseables, el policarbonato moldeado por inyección se utiliza en una serie de industrias y se utiliza en piezas como faros de automóviles y dispositivos médicos. A continuación se detallan las aplicaciones potenciales y reales de la PC moldeada, clasificadas por industria.

óptico :Los plásticos transparentes moldeados por inyección, como el policarbonato, son una alternativa segura al vidrio para productos como lentes para gafas de sol y anteojos, así como gafas de seguridad para uso en laboratorios, lugares de trabajo y otros entornos peligrosos. El termoplástico resistente y transparente también se puede utilizar para piezas como lentes de cámaras y gafas de realidad aumentada.

Automoción :En la industria automotriz, las piezas moldeadas por inyección de policarbonato incluyen piezas de plástico transparente, como lentes de faros. El material es adecuado para este propósito debido a su transparencia, resistencia al impacto y bajo peso. Sin embargo, estas piezas suelen tratarse con revestimientos superficiales para mejorar su resistencia a los arañazos y evitar la degradación por rayos UV. Otros usos específicos incluyen soportes para celdas de baterías de vehículos eléctricos.

Electrónica :Al ser un buen aislante eléctrico y tener una alta temperatura de deflexión del calor, el policarbonato se usa ampliamente en electrónica. Las carcasas y carcasas duraderas son productos moldeados comunes, mientras que algunos cuerpos de teléfonos inteligentes, como el Samsung Galaxy S21, se han fabricado con este material. Algunas computadoras resistentes, como la Panasonic Toughbook, también cuentan con cuerpos de PC para mayor durabilidad. Se utiliza un tipo específico de moldeo por inyección para producir discos de almacenamiento de datos (CD, DVD, etc.) a partir de policarbonato. La producción de almacenamiento de datos requiere un molde de inyección con un estampado que contiene un negativo del contenido del disco.

Cuidado de la salud :Con la aprobación regulatoria, se pueden utilizar ciertos grados de PC para aplicaciones de atención médica. Los ejemplos incluyen equipos de protección, como gafas y protectores faciales, carcasas para máquinas de diálisis y otros dispositivos médicos, equipos de diagnóstico, como kits de prueba, y sistemas de administración de medicamentos, como bolígrafos, bombas y tubos. La claridad del PC y su capacidad para esterilizarse a temperaturas bastante altas también lo hacen adecuado para piezas de catéter.

Construcción y arquitectura :Como material transparente que es hasta 250 veces más resistente que el vidrio, el policarbonato es la resina transparente elegida para muchas piezas estructurales de plástico transparente. El moldeo por inyección de policarbonato transparente puede producir piezas como protectores de cajeros de bancos, ventanas de casetas de guardia, cubiertas de farolas, claraboyas, cajas de contadores eléctricos y difusores de luz.

Bienes de consumo :El moldeado de plástico transparente de policarbonato se puede utilizar para fabricar productos de consumo como botellas de agua y otros vasos, piezas de procesadores de alimentos y otros utensilios de cocina, biberones, fundas para teléfonos, carcasas para pequeños electrodomésticos, como cepillos de dientes eléctricos, maletas rígidas y artículos deportivos.

Pros y contras del moldeo por inyección de policarbonato

El moldeo por inyección de plástico de policarbonato tiene beneficios importantes, como la producción de piezas transparentes de alta calidad, pero no es el material más fácil de manejar debido a su alto punto de fusión y sus características de flujo relativamente pobres.

Ventajas

• Claridad óptica :El moldeo por inyección con un molde de metal de alto pulido preserva la transparencia del policarbonato, produciendo piezas de plástico transparente de calidad óptica.
• Otras propiedades deseables :Los materiales de policarbonato moldeado ofrecen buena resistencia al calor y al frío, resistencia al impacto, aislamiento eléctrico, estabilidad dimensional y retardo de llama.
• Proceso rápido y eficiente :El moldeo por inyección es ideal para fabricar grandes volúmenes de piezas de PC a un bajo coste por pieza.
• Tolerancias estrictas :La baja contracción del policarbonato permite un alto nivel de precisión y tolerancias estrictas.
• Reciclabilidad :El PC se puede reciclar mediante reciclaje mecánico o químico, pero este último es mejor para mantener la resistencia al impacto del material.

Desventajas

• Material exigente :El alto punto de fusión y la baja fluidez del policarbonato significan que requiere una alta temperatura de moldeo por inyección y altas presiones de inyección, que pueden ser más difíciles de mantener durante muchos ciclos.
• Resistencia al rayado :Dado que el policarbonato se utiliza a menudo para piezas ópticas, su susceptibilidad a rayaduras superiores puede ser un problema, aunque se puede mitigar con aditivos o revestimientos protectores.
• Resistencia a los rayos UV :También falta la resistencia a los rayos UV del policarbonato, lo que puede ser un problema para piezas exteriores como los faros de los automóviles, a menos que se mitigue con una capa protectora.
• Sensibilidad a la humedad :El PC es altamente higroscópico y requiere un secado completo antes del moldeo por inyección.

Moldeo por inyección de policarbonato confiable con 3ERP

El policarbonato es un termoplástico muy versátil y eficaz para piezas de plástico transparente y más. Sin embargo, debido a que es más difícil trabajar con él que con otros plásticos comunes como ABS o PP, es esencial elegir un socio de moldeo por inyección capacitado y confiable.

Con más de 15 años de experiencia en el negocio, 3ERP puede llevar a cabo proyectos de moldeo por inyección de policarbonato de cualquier tamaño, desde prototipos hasta producción en masa. Nuestra experiencia profesional nos permite manejar DFM, fabricación de moldes, producción de piezas de calidad y acabado de superficies, supervisando el proceso de moldeado de PC de principio a fin.

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Preguntas frecuentes (FAQ)

¿Se puede pintar el policarbonato compuesto moldeado por inyección?

Sí, las pinturas y revestimientos se adhieren bien al policarbonato y compuestos relacionados. Sin embargo, el material tiene poca resistencia a los disolventes. Los gránulos de PC también se pueden mezclar con pigmentos coloreados antes del moldeo usando masterbatch, mezcla en seco u otros métodos.

¿Qué tan fino se puede moldear por inyección el policarbonato?

El espesor mínimo de pared de policarbonato es de aproximadamente 1 mm. La alta viscosidad del termoplástico dificulta su inyección en cavidades más delgadas.

¿Es el policarbonato moldeado por inyección más resistente que otros plásticos?

La PC moldeada por inyección es muy fuerte y ofrece una alta resistencia al impacto, de ahí su uso para aplicaciones exigentes como escudos antidisturbios. Su resistencia es mayor que la de la mayoría de los plásticos dentro de su rango de precio, mientras que su resistencia al impacto es superior a la de muchos metales.

¿A qué temperatura se moldea la inyección de policarbonato?

Los ajustes de la máquina de moldeo por inyección de policarbonato incluyen una temperatura del cilindro de alrededor de 260 a 320 °C y una temperatura del molde de alrededor de 80 a 120 °C.

¿Es el policarbonato un buen sustituto del vidrio?

El policarbonato puede reemplazar al vidrio en muchas aplicaciones, especialmente donde la resistencia a roturas y la seguridad son una prioridad, ya que es mucho más resistente. Sus principales desventajas en comparación con el vidrio incluyen una tendencia a amarillear después de una resistencia prolongada a los rayos UV y una escasa resistencia a los arañazos.