Moldeo por inyección robótico avanzado para componentes compuestos funcionalizados

Anybrid GmbH (Dresde, Alemania) es una spin-off del Instituto de Ingeniería Ligera y Tecnología de Polímeros (ILK) en TU Dresde. ILK trabaja con la industria para desarrollar nuevas tecnologías de aligeramiento, con foco en compuestos de polímeros reforzados. «Desarrollamos esta máquina de moldeo por inyección robotizada hace dos años para producir componentes híbridos», dice Michael Stegelmann, director comercial de Anybrid. Componentes híbridos se refiere a funcionalizar una estructura —por ejemplo, un tubo compuesto o chasis de vehículo eléctrico metálico— con plástico moldeado por inyección para crear puntos de unión locales, nervios de refuerzo, etc.

Este proceso, denominado sobremoldeo o moldeo por inyección híbrido, ha ganado mucha atención en los últimos 5-6 años, pero de forma más tradicional —moldes de acero en prensa de moldeo con unidad de inyección adjunta. Anybrid ha miniaturizado esencialmente esta configuración en el efectador final en forma de C rojo y negro que se muestra en el robot Kuka en la imagen superior y vídeo inferior. El resultado es revolucionario, permitiendo que pultrusiones o extrusiones sean sobremoldeadas al salir del molde o que grandes estructuras sean funcionalizadas mientras avanzan por una línea de montaje.

ROBIN

ROBIN, abreviatura de «robotized injection molding», se presentó por primera vez en 2019 en la feria K en Düsseldorf, Alemania. «Entonces fundamos la empresa el año pasado y ahora trabajamos con clientes para establecer líneas de producción piloto usando el equipo», dice Stegelmann. El concepto, explica, es reducir la masa de la máquina de moldeo por inyección usando unidades de inyección pequeñas y herramientas de moldeo compactas e inexpensivas que pueden intercambiarse rápidamente.

«El efectador final ROBIN comprende un bastidor en C hecho de compuesto de fibra de carbono y por fuera se ve un bastidor de aluminio», explica Stegelmann. «El bastidor contiene el sistema de cierre ligero, que maneja hasta 12 toneladas de fuerzas de carga durante el moldeo por inyección, traídas del lado superior al inferior del molde». ROBIN también puede alcanzar un voladizo de 1 metro a través de grandes estructuras. «Este es nuestro saber hacer dentro de ILK —cómo usar fibra de carbono y materiales ligeros de la forma correcta».

El enfoque tradicional de moldeo por inyección requiere prensas grandes y herramientas de moldeo caras. Así, se ha limitado a producción de grandes series/alto volumen. En contraste, ROBIN permite la fabricación de series pequeñas o múltiples moldeados diferentes en componentes mayores. «El principio es que tenemos tal flexibilidad en las máquinas que podemos funcionalizar casi cualquier material o estructura compuesta», señala Stegelmann.

«Intentamos minimizar el tamaño de los moldes para reducir costes, así que solo necesitas unos pocos miles de euros para construir el molde», explica Stegelmann. «Esto permite un sistema de cambio rápido integrado porque solo un área pequeña de molde tiene que cambiarse. La idea, por ejemplo, es que tienes una línea de montaje con la posibilidad de cambiar rápido el molde y hacer una pieza diferente en dos lados diferentes de la línea. Puedes usar dos sistemas Robin o uno y cambiar rápido el molde. Así, tienes alta flexibilidad».

Esta reducción de tamaño limita el área que puede sobremoldearse. «En este momento, estamos limitados a 50-60 gramos para la inyección», dice Stegelmann. «Desarrollamos ROBIN para pesar solo 140 kilogramos, lo que permite usar automatización más pequeña y asequible. Nos centramos ahora en funcionalizar tubos y perfiles y añadir elementos menores a estructuras mayores».

Lograr buena unión en sobremoldeo

«Esto es realmente nuestro trasfondo», dice Stegelmann, refiriéndose a los cuatro cofundadores de Anybrid. «Lo hicimos en muchos proyectos en los últimos 10 o 15 años, combinando diferentes materiales y encontrando la unión correcta, hice mi doctorado en procesos de extrusión, y siempre es desafiante cuando combinas diferentes materiales. Siempre necesitas alguna preparación adicional para la unión como tratamiento de plasma o láser, para alterar la estructura superficial, especialmente al unir plástico o plástico reforzado sobre metal. Los compuestos son un poco más fáciles, porque puedes igualar la matriz polimérica en el material de moldeo por inyección y el sustrato».

Por ejemplo, en el tubo sobremoldeado que se muestra abajo, Mitsui Chemicals Europe (Düsseldorf, Alemania) suministró cintas unidireccionales (UD) de polipropileno (PP) reforzado con fibra de carbono y INOMETA (Herford, Alemania) las usó para producir tubos compuestos, que Anybrid luego sobremoldeó. «La funcionalización era el mismo material que los tubos», dice Stegelmann. «Lo sobremoldeamos con PP tanto sin reforzar como reforzado con fibra de carbono, pero también con refuerzos de fibra de vidrio. Con ROBIN, puedes fabricar con cualquier material termoplástico que esté en el mercado».

Esto último es por lo que Anybrid asiste a sus clientes con pruebas. «Recibimos clientes que no están seguros si sus materiales se unirán entre sí», señala Stegelmann. «Les pedimos que nos envíen algo de material y hacemos algunas estructuras pequeñas y simples para probar. Tenemos un molde pequeño para un nervio de refuerzo que podemos moldear por inyección sobre diferentes placas. Por ejemplo, si el cliente nos envía muestras de algunas placas compuestas, podemos sobremoldear sobre estas con sus materiales de moldeo por inyección. Ese es el primer paso, que tenemos un estudio de factibilidad del comportamiento de unión de los diferentes materiales. Después, podemos hacer análisis y ofrecer sugerencias de optimización».

Aplicaciones potenciales

«Seguimos explorando aplicaciones, pero inicialmente trabajamos con tubos y perfiles», dice Stegelmann. «Una de nuestras ideas es traer secuencialmente diferentes estructuras sobre estas formas continuas, potencialmente muy largas», dice Stegelmann. «Así, elementos pueden aplicarse directamente a tubos. Tales conceptos ya están siendo usados por INOMETA y Herone (Dresde, Alemania) para integrar sistemas de conexión axial y engranajes de forma. Esto también podría ser interesante en la industria aeronáutica, donde se necesitan varias mejoras de rigidez y quizás añadir funciones como uniones. También, puedes tener un larguero o bastidor, por ejemplo, pero muchas variaciones en longitud. Con nuestra tecnología, hay la posibilidad de mantener un alto nivel de automatización y solo variar los elementos que funcionalizas de una pieza a la siguiente».

«También hay potencial con componentes grandes», dice Stegelmann. «Trabajando en ILK en los últimos años, desarrollamos muchos componentes híbridos diferentes usando acero, plástico y compuestos. Vimos que clips sobremoldeados en bastidores y chasis estructurales tiene sentido para montaje. Y con el movimiento a vehículos eléctricos e sistemas de hidrógeno, vemos que es importante hacer líneas y procesos de montaje lo más flexibles posible, para prepararse para una variedad de componentes diferentes que puedan necesitarse en el futuro. Con ROBIN, puedes ajustar fácilmente mejoras locales para montaje pero también para rigidez de la estructura, por ejemplo. Sin embargo, queremos extender esta capacidad más allá de solo automoción y aeroespacial. Nuestra idea era hacer esto más asequible para empresas pequeñas y permitir esta tecnología híbrida para cantidades menores en otros campos y aplicaciones».