Optimización del Moldeo por Inyección de Tiradas Cortas con Moldes Impresos en 3D

Este artículo analiza el uso de la impresión 3D para fabricar moldes destinados al moldeo por inyección de tiradas cortas. Se incluyen consideraciones de diseño, materiales, configuraciones de moldes y un estudio de caso comparativo.

Cómo diseñar un molde de inyección impreso en 3D

Materiales

Un material de impresión 3D es adecuado para crear un molde de inyección si posee:

• Alta resistencia a la temperatura: se requiere una alta temperatura de deflexión bajo calor para soportar las cargas mecánicas y térmicas aplicadas al molde durante la inyección del material. Cabe notar que la temperatura disminuye rápidamente durante la solidificación.
• Alta rigidez/tenacidad: la extracción repetida de piezas puede causar desgaste en el molde, por lo que se necesitan materiales con alta rigidez para mantener la precisión del molde a lo largo del tiempo.
• Alto nivel de detalle: uno de los requisitos principales de un molde de inyección es la alta precisión dimensional y una superficie lisa. Moldes altamente precisos producirán piezas altamente precisas.

Las tecnologías de impresión 3D que mejor cubren estos requisitos son SLA (estereolitografía) y Material Jetting. Estas tecnologías pueden producir piezas con alta precisión dimensional y son ideales para imprimir detalles intrincados y características muy finas. Materiales especiales disponibles en estas tecnologías, como la resina Formlabs High Temperature o el Digital ABS de Stratasys, son ideales para aplicaciones de moldeo y utillaje. A continuación se muestra un resumen de las propiedades más relevantes para el moldeo por inyección de estos dos materiales.

Para aplicaciones industriales, la SLA de sobremesa no es adecuada. Un artículo en profundidad que compara los dos materiales de impresión 3D industrial más utilizados para la fabricación de moldes (Digital ABS y Somos PerFORM) puede encontrarse aquí.

Propiedad	Resina Formlabs High Temp*	Stratasys Digital ABS**
Temperatura de deflexión por calor	289 °C @ 0,45 MPa	92‑95 °C @ 0,45 MPa
Módulo de flexión	3,3 GPa	1,7‑2,2 GPa
Resistencia al impacto (IZOD entallado)	14 J/m	65‑80 J/m
Altura de capa más baja (resolución)	25‑50 micras	16‑30 micras
Tamaño mínimo de detalle	0,2 mm	0,2 mm

*Información proveniente de Formlabs **Información proveniente de Stratasys

Molde de inyección impreso en 3D fabricado con Digital ABS

Diseño del molde

La descripción técnica específica de características del molde (como canales de entrada, corredores, ventilaciones, etc.) está fuera del alcance de este artículo. Una búsqueda en internet revelará abundante información al respecto. Esta publicación de Seattle Robotics es un buen punto de partida para quienes se inician en el diseño de moldes de inyección.

A continuación, una lista de buenas prácticas a seguir al diseñar un molde impreso en 3D:

• Al diseñar el molde para impresión SLA, asegúrese de que las caras internas del molde estén orientadas de modo que ningún soporte esté en contacto con ellas. Esto mejorará su calidad superficial, ya que no habrá marcas de soporte en estas superficies, minimizando el postprocesado requerido.
• Incluir ventilaciones poco profundas (0,05 mm de profundidad) desde el borde de la cavidad hasta el borde del molde ayudará a expulsar el aire atrapado durante el proceso de moldeo.
• Si el molde impreso en 3D se va a usar para más de 20 ciclos, considere incluir canales en el diseño para insertar varillas o tubos metálicos. Estos pueden reforzar el molde, reducir la deformación y mejorar los tiempos de enfriamiento.
• Imprimir el molde a una altura de capa menor puede ayudar a producir piezas moldeadas más lisas, ya que los moldes tendrán líneas de impresión menos visibles.
• Los detalles en relieve y grabados deben estar desplazados de la superficie al menos 1 mm.

Las restricciones de diseño específicas dependerán de la máquina de moldeo por inyección utilizada. Sin embargo, Stratasys sugiere que los moldes fabricados con sus impresoras Material Jetting deberían usarse para producir piezas con un volumen máximo de 165 cm³ en máquinas de moldeo de 50 a 80 toneladas o prensas manuales.

Diseño de piezas para moldeo por inyección

Al igual que con los moldes de inyección convencionales, un diseñador debe considerar:

• Añadir un ángulo de desmoldeo mínimo de 2° para facilitar la extracción de la pieza del molde.
• Mantener un espesor de pared uniforme en toda la pieza.
• Mantener todas las paredes y características lo más delgadas posible.
• Incluir radios en todos los bordes y esquinas.
• Incluir nervios y refuerzos delgados para añadir resistencia a la pieza en lugar de aumentar el espesor de pared.

Diseño de ángulo de desmoldeo para moldeo por inyección

Más información sobre la importancia de los ángulos de desmoldeo en este artículo →

Reducción de rebabas

Las rebabas son el material que sale entre las dos mitades del molde durante el proceso de inyección. Generalmente ocurre cuando las dos mitades no encajan perfectamente, no están completamente alineadas y planas, o el molde se sobrellena. Los corredores se usan en el diseño del molde para ayudar a reducir la probabilidad de rebabas.

Si se diseña para un bastidor de aluminio, añada 0,125 mm de espesor extra en la parte posterior de las placas del molde para tener en cuenta las fuerzas de compresión y asegurar un sellado completo. Aumentar la fuerza de sujeción en el tornillo de banco también puede ayudar a mitigar las rebabas, al igual que pulir el plano de partición de los moldes para lograr la superficie más plana posible.

Un buen diseño de molde y una cara de molde plana reducen la probabilidad de que ocurran rebabas

(imagen cortesía de Formlabs)

Compuesto desmoldeante

Debido a la naturaleza relativamente frágil de los materiales utilizados en moldes de inyección impresos en 3D comparados con los moldes tradicionales, aplicar fuerza excesiva para extraer una pieza del molde puede provocar un deterioro rápido del molde. Incluir un compuesto desmoldeante en las superficies de la cavidad del molde antes de la etapa de inyección puede ayudar enormemente con la extracción de la pieza.

Estudio de caso: un acople plástico para motor

Este estudio de caso comparará la fabricación de un acople plástico personalizado para una carcasa de motor. Los requisitos del diseño son:

• El número total de piezas es 25.
• Se necesita un alto nivel de precisión dimensional para asegurar un ajuste ceñido.
• El peso de la pieza es 0,005 kg (5 gramos).
• La pieza debe fabricarse en ABS.
• La pieza debe ser de color negro.
• El diámetro total de la pieza es 40 mm.

Estas son las opciones de fabricación alternativas disponibles:

Impresión 3D FDM industrial de ABS: La impresión 3D FDM industrial tiene alta repetibilidad y puede producir piezas con alta precisión dimensional, siendo capaz de imprimir piezas en lotes pequeños y medianos. El coste del filamento ABS usado en sistemas FDM industriales suele rondar los 90‑110 $/kg. La principal restricción para cualquier pieza producida vía FDM es su rendimiento mecánico anisotrópico: las piezas son significativamente más débiles en una dirección. Esto significa que el diseñador debe tener un buen conocimiento de las cargas a las que será sometida la pieza y la orientación del modelo en la plataforma de impresión.

Moldeo por inyección de piezas ABS con moldes SLA impresos en 3D: Las resinas SLA de alta temperatura pueden producir moldes de inyección funcionales con alto nivel de precisión, ideales para tiradas de producción de bajo nivel. Las resinas SLA se venden alrededor de 150‑170 $/litro. Se ha usado una máquina de moldeo por inyección de sobremesa para los cálculos de este ejemplo con los moldes impresos en 3D insertados en bastidores de soporte de aluminio. Se usan gránulos de ABS para moldear la pieza, que cuestan aproximadamente 2‑3 $.

Pieza ABS moldeada por inyección tradicional: Las piezas moldeadas por inyección tradicional tienen un nivel muy alto de precisión, excelente acabado superficial y un nivel muy alto de repetibilidad. Los principales inconvenientes del moldeo por inyección tradicional son el alto coste inicial de puesta en marcha y el número de restricciones de diseño impuestas en el diseño de la pieza moldeada (ángulos de desmoldeo, espesor de pared constante, etc.). El coste de los gránulos de ABS es el mismo que el anterior.

Un resumen del coste (basado en cotizaciones online) de fabricar el acople ABS usando las tecnologías discutidas se resume en la tabla siguiente. Todos los precios no incluyen envío.

	FDM Industrial*	IM 3DP**	IM Tradicional***
Coste del molde	N/A	70,85 $	1.660,72 $
Coste por pieza	3,69 $	0,05 $	1,89 $
Coste total	92,25 $	72,10 $	1.711,48 $
Plazo de entrega	4 días	2 días	8 días

* Cotización proveniente de Protolabs Network.com con ABS, 20 % de relleno impreso en Fortus 250MC
** Cotización proveniente de Protolabs Network.com con resina Formlabs High Temp impresa en Form 2
*** Cotización proveniente de Protolabs

Próximos pasos: Cómo producir piezas con moldeo por inyección

¿Es el moldeo por inyección de tiradas cortas con moldes impresos en 3D la mejor solución para su aplicación? Entonces hay dos formas de avanzar con su proyecto:

Si tiene acceso a una máquina de moldeo por inyección y el conocimiento para diseñar el molde, entonces imprimir el molde en 3D en un material resistente al calor es una opción. Un artículo que discute las ventajas y desventajas de los dos materiales de impresión 3D más utilizados para fabricar moldes de inyección de tiradas cortas puede encontrarse aquí.

De lo contrario, puede externalizar la producción a un fabricante profesional de moldeo por inyección. Protolabs Network ofrece acceso a una red global de proveedores de servicios de moldeo por inyección, capaces de diseñar un molde para su pieza y producir volúmenes de 100 a 10.000+ unidades.

¿Necesita asesoramiento para su proyecto de moldeo por inyección? Hable con un experto