Dominar el moldeo por inyección:fundamentos, aplicaciones y consejos de diseño
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En esta guía encontrará todo lo que necesita saber sobre el moldeo por inyección. Domine los principios básicos de la tecnología y aprenda rápidamente consejos de diseño prácticos que le ahorrarán tiempo y reducirán costos.
Parte 1
Conceptos básicos del moldeo por inyección
¿Qué es un moldeo por inyección? ¿Cómo funciona y para qué se utiliza?
En esta sección, respondemos a estas preguntas y le mostramos ejemplos comunes de piezas moldeadas por inyección para ayudarlo a familiarizarse con la mecánica básica y las aplicaciones de la tecnología.
¿Qué es el moldeo por inyección?
El moldeo por inyección es una tecnología de fabricación para la producción en masa de piezas de plástico idénticas con buenas tolerancias. En el moldeo por inyección, los gránulos de polímero primero se funden y luego se inyectan bajo presión en un molde, donde el plástico líquido se enfría y solidifica. Los materiales utilizados en el moldeo por inyección son polímeros termoplásticos que pueden colorearse o rellenarse con otros aditivos.
Casi todas las piezas de plástico que te rodean se fabricó mediante moldeo por inyección:desde piezas de automóviles hasta cajas electrónicas y electrodomésticos de cocina.
El moldeo por inyección es muy popular debido al coste por unidad dramáticamente bajo al fabricar grandes volúmenes . El moldeo por inyección ofrece alta repetibilidad y buena flexibilidad de diseño . Las principales restricciones al moldeo por inyección suelen reducirse a cuestiones económicas, como una alta inversión inicial Para el molde se requiere. Además, el tiempo de respuesta desde el diseño hasta la producción es lento (al menos 4 semanas).
El proceso de moldeo por inyección
El moldeo por inyección se utiliza ampliamente hoy en día tanto para productos de consumo como para aplicaciones de ingeniería. Casi todos los artículos de plástico que le rodean se fabricaron mediante moldeo por inyección. Esto se debe a que la tecnología puede producir piezas idénticas en volumenes muy altos. (normalmente, entre 1.000 y 100.000+ unidades) a un coste por pieza muy bajo (normalmente entre 1 y 5 dólares por unidad).
Pero en comparación con otras tecnologías, los costos iniciales de moldeo por inyección son relativamente altos, principalmente porque se necesitan herramientas personalizadas. Un molde puede costar entre $3000 y $100,000+, dependiendo de su complejidad, material (aluminio o acero) y precisión (prototipo, prueba piloto o molde de producción a gran escala).
Todos los materiales termoplásticos se pueden moldear por inyección. Algunos tipos de silicona y otras resinas termoestables también son compatibles con el proceso de moldeo por inyección. Los materiales más utilizados en el moldeo por inyección son:
- Polipropileno (PP): ~38% de la producción global
- ABS: ~27% de la producción global
- Polietileno (PE): ~15% de la producción mundial
- Poliestireno (PS): ~8% de la producción mundial
Incluso si tenemos en cuenta todas las demás tecnologías de fabricación posibles, el moldeo por inyección sólo con estos cuatro materiales representa más del 40% de todas las piezas de plástico producidas a nivel mundial cada año!
Una breve historia del moldeo por inyección
Los plásticos sustituyen al marfil
En 1869, John Wesley Hyatt inventó el celuloide, el primer plástico artificial práctico destinado a sustituir el marfil en la producción de… ¡bolas de billar! Las primeras máquinas de moldeo por inyección utilizaban un barril para calentar el plástico y un émbolo para inyectarlo en el molde.
Un invento revolucionario
A mediados de la década de 1950, la invención del tornillo alternativo revolucionó la industria del plástico. El tornillo alternativo resolvió problemas clave con el calentamiento desigual del plástico que enfrentaban los sistemas anteriores y abrió nuevos horizontes para la producción en masa de piezas de plástico.
El moldeo por inyección hoy
Hoy en día, el moldeo por inyección es un mercado de 300 mil millones de dólares. Cada año se producen más de 5 millones de toneladas métricas de piezas de plástico mediante moldeo por inyección en todo el mundo. Recientemente, la demanda de materiales biodegradables está aumentando por razones medioambientales.
Máquinas de moldeo por inyección:¿cómo funcionan?
Una máquina de moldeo por inyección consta de 3 partes principales:la unidad de inyección , el molde - el corazón de todo el proceso - y la unidad de sujeción/expulsión .
En esta sección, examinamos el propósito de cada uno de estos sistemas y cómo su mecánica de operación básica afecta el resultado final del proceso de moldeo por inyección.
Observe aquí una gran máquina de moldeo por inyección en acción mientras produce 72 tapas de botellas cada 3 segundos:
La unidad de inyección
El objetivo de la unidad de inyección es fundir el plástico en bruto y guiarlo hacia el molde. Consta de la tolva , el barril y el tornillo alternativo .
Así es como funciona el proceso de moldeo por inyección:
- Los gránulos de polímero se secan primero y se colocan en la tolva, donde se mezclan con el pigmento colorante u otros aditivos de refuerzo.
- Los gránulos se introducen en el barril, donde se calientan, mezclan y mueven simultáneamente hacia el molde mediante un tornillo de paso variable. La geometría del tornillo y el cilindro están optimizadas para ayudar a aumentar la presión a los niveles correctos y fundir el material.
- Luego, el ariete avanza y el plástico derretido se inyecta en el molde a través del sistema de canales, donde llena toda la cavidad. A medida que el material se enfría, se vuelve a solidificar y toma la forma del molde.
- Finalmente, el molde se abre y los pasadores expulsores empujan la parte ahora sólida hacia afuera. Luego se cierra el molde y se repite el proceso.
Todo el proceso se puede repetir muy rápido:el ciclo dura aproximadamente 30 a 90 segundos dependiendo del tamaño de la pieza.
Una vez expulsada la pieza, se dispensa sobre una cinta transportadora o en un contenedor de almacenamiento. Por lo general, las piezas moldeadas por inyección están listas para usar de inmediato y requieren poco o ningún posprocesamiento.
Fabricación del molde
El molde es como el negativo de una fotografía:su geometría y textura superficial se transfiere directamente a la pieza moldeada por inyección.
Por lo general, representa la mayor parte de los costos iniciales en el moldeo por inyección:el costo de un molde típico comienza en aproximadamente $2000-5000 para una geometría simple y tiradas de producción relativamente pequeñas (de 1000 a 10 000 unidades) y puede llegar hasta $100 000 para moldes optimizados para órdenes de producción a gran escala (100 000 unidades o más).
Esto se debe al alto nivel de experiencia necesario para diseñar y fabricar un molde de alta calidad que pueda producir con precisión miles (o cientos de miles) de piezas.
Los moldes suelen estar mecanizados mediante CNC de aluminio o acero para herramientas y luego acabado según el estándar requerido. Además de lo negativo de la pieza, también tienen otras características, como el sistema de canales que facilita el flujo del material hacia el molde, y canales internos de refrigeración por agua que ayudan y aceleran el enfriamiento de la pieza.
Obtenga más información sobre el mecanizado CNC en la guía de fabricación y diseño →
Los avances recientes en materiales de impresión 3D han permitido la fabricación de moldes adecuados para moldeo por inyección de tiradas bajas (100 piezas o menos) a una fracción del costo. Volúmenes tan pequeños eran económicamente inviables en el pasado debido al altísimo coste de la fabricación de moldes tradicionales.
*Un diseño de molde industrial para producir decenas de miles de piezas de plástico. La cavidad se muestra a la izquierda y el núcleo a la derecha.*
La anatomía del molde
El molde más simple es el molde de extracción recta. Consta de 2 mitades:la cavidad (el lado frontal) y el núcleo (la parte trasera).
En la mayoría de los casos, los moldes de extracción directa son los preferidos, ya que son simples de diseñar y fabricar, manteniendo el costo total relativamente bajo. Sin embargo, existen algunas restricciones de diseño:la pieza debe tener una geometría 2.D en cada lado y sin salientes (es decir, áreas que no estén soportadas desde abajo).
Si se requieren geometrías más complejas, entonces se pueden utilizar núcleos de acción lateral retráctiles. u otras inserciones son necesarias.
Los núcleos de acción lateral son elementos móviles que ingresan al molde desde arriba o desde abajo y se utilizan para fabricar piezas con salientes (por ejemplo, una cavidad o un agujero). Sin embargo, las acciones secundarias deben usarse con moderación, ya que el costo aumenta rápidamente.
Dato interesante: Aproximadamente el 50% del ciclo típico de moldeo por inyección se dedica al enfriamiento y solidificación. Minimizar el grosor de un diseño es clave para acelerar este paso y reducir costes.
Los 2 lados del molde:lado A y lado B
Las piezas moldeadas por inyección tienen dos lados:el lado A, que mira hacia la cavidad (mitad frontal del molde) y el lado B, que mira hacia el núcleo (mitad trasera del molde). Estos dos lados suelen tener propósitos diferentes:
- El lado A Suele tener una mejor apariencia visual y a menudo se le llama el lado cosmético. . Las caras del lado A serán lisas o tendrán una textura según tus especificaciones de diseño.
- El lado B normalmente contiene los elementos estructurales ocultos (pero muy importantes) de la pieza (las protuberancias, las nervaduras, los encajes a presión, etc.). Por este motivo se le llama lado funcional. . El lado B suele tener un acabado más áspero y marcas visibles de los pasadores expulsores.
Inyectar material en el molde:El sistema de canales
El sistema de corredores es el canal que guía el plástico derretido hacia la cavidad del molde. Controla el caudal y la presión con el que se inyecta el plástico líquido en la cavidad y se retira tras la expulsión (se desprende). El sistema de guías suele constar de 3 secciones principales:
- El bebedero es el canal principal por el que fluye inicialmente todo el plástico fundido cuando entra al molde.
- El corredor extiende el plástico derretido a lo largo de la cara donde se unen las dos mitades del molde y conecta el estímulo a las compuertas. Puede haber uno o más corredores que guíen el material hacia una o varias partes. El sistema de guías se separa de la pieza después de la expulsión. Este es el único desperdicio de material en el moldeo por inyección, del cual entre un 15 y un 30 % se puede reciclar y reutilizar.
- La puerta (es el punto de entrada del material a la cavidad del molde. Su geometría y ubicación es importante, ya que determina el flujo del plástico.
Los diferentes tipos de puertas son adecuados para diferentes aplicaciones. Hay 4 tipos de compuertas utilizadas en el moldeo por inyección:
- Puertas de borde inyectan material en la línea de separación de las dos mitades del molde y son el tipo de compuerta más común. El sistema de correderas se tiene que retirar manualmente posteriormente, dejando una pequeña imperfección en el punto de inyección.
- Puertas del túnel Inyecte material debajo de la línea de separación. El sistema de guías se desprende cuando la pieza es expulsada del molde, lo que elimina la necesidad de retirarla manualmente. Esto hace que este tipo de puerta sea ideal para volúmenes muy grandes.
- Publicar puertas Inyecte el material desde la parte posterior de la cavidad, ocultando la pequeña imperfección que queda al romper los otros tipos de puertas. Estas puertas se utilizan para piezas que requieren una excelente apariencia visual.
- Consejos interesantes están conectados directamente al espolón e inyectan plástico desde la parte superior de la pieza. De esta manera no se desperdicia material en el sistema de canales, lo que los hace ideales para la producción a gran escala, pero se verá un hoyuelo en el punto de inyección.
El vestigio
En el punto donde el sistema de guías se conecta con la pieza, suele ser visible una pequeña imperfección, llamada vestigio.
Si la presencia del vestigio no es deseable por motivos estéticos, entonces también se puede “ocultar” en el lado B funcional de la pieza.
El sistema de sujeción y expulsión
En el otro lado de una máquina de moldeo por inyección se encuentra el sistema de sujeción. El sistema de sujeción tiene un doble propósito:mantiene las 2 partes del molde firmemente cerradas durante la inyección y empuja la pieza fuera del molde después de que se abre.
Una vez expulsada la pieza, cae sobre una cinta transportadora o un cubo para su almacenamiento y el ciclo comienza de nuevo.
Sin embargo, la alineación de las diferentes partes móviles del molde nunca es perfecta. Esto provoca la creación de 2 imperfecciones comunes que son visibles en casi todas las piezas moldeadas por inyección:
-
Líneas de separación que son visibles en el lado de una pieza donde se unen las 2 mitades del molde. Son causados por pequeñas desalineaciones y los bordes ligeramente redondeados del molde.
-
Marcas eyectoras (o testigos) que son visibles en el lado B oculto de la pieza. Se crean porque los pasadores expulsores sobresalen ligeramente por encima o tienen muescas por debajo de la superficie del molde.
La siguiente imagen muestra el molde utilizado para fabricar ambos lados de la carcasa de un control remoto. Prueba rápida:intenta localizar el *núcleo* (lado A), la *cavidad* (lado B), el sistema de rodadura , los pasadores eyectores , el núcleo de acción secundaria y las rejillas de ventilación en este molde.
Beneficios y limitaciones del moldeo por inyección
El moldeo por inyección es una tecnología de fabricación establecida con una larga historia, pero se refina y mejora constantemente con nuevos avances tecnológicos.
A continuación se muestra un resumen rápido de las principales ventajas y desventajas del moldeo por inyección para ayudarle a comprender si es la solución adecuada para su aplicación.
Beneficios del moldeo por inyección
Fabricación de plásticos en gran volumen
El moldeo por inyección es la tecnología más competitiva en términos de costos para fabricar grandes volúmenes de piezas de plástico idénticas. Una vez creado el molde y configurada la máquina, se pueden fabricar piezas adicionales muy rápidamente y a un coste muy bajo.
El volumen mínimo de producción recomendado para moldeo por inyección es de 500 unidades. En este punto, las economías de escala comienzan a activarse y los costos iniciales relativamente altos de las herramientas tienen un efecto menos prominente en el precio unitario.
Amplia gama de materiales
Casi todos los materiales termoplásticos (y algunos termoestables y siliconas) se pueden moldear por inyección. Esto proporciona una gama muy amplia de materiales disponibles con diversas propiedades físicas para diseñar.
Las piezas producidas con moldeo por inyección tienen muy buenas propiedades físicas. Sus propiedades se pueden adaptar utilizando aditivos (por ejemplo, fibras de vidrio) o mezclando diferentes gránulos (por ejemplo, mezclas de PC/ABS) para lograr el nivel deseado de resistencia, rigidez o resistencia al impacto.
Muy alta productividad
El ciclo típico de moldeo por inyección dura de 15 a 60 segundos, dependiendo del tamaño de la pieza y la complejidad del molde. En comparación, el mecanizado CNC o la impresión 3D pueden requerir minutos u horas para producir la misma geometría. Además, un único molde puede albergar varias piezas, lo que aumenta aún más las capacidades de producción de este proceso de fabricación.
Esto significa que se pueden producir cientos (o incluso miles) de piezas idénticas cada hora.
Gran repetibilidad y tolerancias
El proceso de moldeo por inyección es altamente repetible y las piezas producidas son esencialmente idénticas. Por supuesto, el molde sufre algo de desgaste con el tiempo, pero un molde de aluminio de funcionamiento piloto típico durará entre 5000 y 10 000 ciclos, mientras que los moldes de producción a gran escala de acero para herramientas pueden soportar más de 100 000 ciclos.
Normalmente, el moldeo por inyección producirá piezas con tolerancias de ± 0,500 mm (0,020”). En determinadas circunstancias también son posibles tolerancias más estrictas de hasta ± 0,125 mm (0,005”). Este nivel de precisión es suficiente para la mayoría de las aplicaciones y comparable tanto al mecanizado CNC como a la impresión 3D.
Excelente apariencia visual
Una fortaleza clave del moldeo por inyección es que puede producir productos terminados que necesitan poco o ningún acabado adicional. Las superficies del molde se pueden pulir en un grado muy alto para crear piezas similares a espejos. O se les puede aplicar granallado para crear superficies texturizadas. Los estándares SPI dictan el nivel de acabado que se puede lograr.
Obtenga las recomendaciones de compatibilidad de materiales/acabados →
Limitaciones del moldeo por inyección
Altos costos iniciales para las herramientas
La principal restricción económica del moldeo por inyección es el alto coste de las herramientas. Dado que hay que fabricar un molde personalizado para cada geometría, los costes iniciales son muy elevados. Estos están relacionados principalmente con el diseño y la fabricación del molde, que normalmente cuesta entre 5.000 y 100.000 dólares. Por este motivo, el moldeo por inyección sólo es económicamente viable para producciones superiores a 500 unidades.
Los cambios de diseño son costosos
Una vez fabricado un molde, modificarlo es muy costoso. Los cambios de diseño suelen requerir la creación de un nuevo molde desde cero. Por este motivo, diseñar correctamente una pieza para moldeo por inyección es muy importante.
En la Parte 2, enumeramos las consideraciones de diseño más importantes a tener en cuenta al diseñar para moldeo por inyección. En la Parte 5, también veremos cómo puede mitigar el riesgo creando prototipos físicos de sus piezas.
Plazos de entrega más largos que otras tecnologías
El tiempo de entrega típico para el moldeo por inyección varía entre 6 y 10 semanas. 4-6 semanas para fabricar el molde, más 2-4 semanas más para producción y envío. Si se requieren cambios de diseño (algo bastante común), el tiempo de respuesta aumenta en consecuencia.
En comparación, las piezas fabricadas con una impresora 3D de escritorio pueden estar listas para su entrega durante la noche, mientras que los sistemas de impresión 3D industriales tienen un plazo de entrega típico de 3 a 5 días. Las piezas mecanizadas por CNC normalmente se entregan en un plazo de 10 días o tan solo 5 días.
Ejemplos de productos fabricados con moldeo por inyección
Si miras a tu alrededor ahora mismo, verás al menos algunos productos fabricados con moldeo por inyección. Probablemente estés mirando uno ahora mismo:la carcasa del dispositivo que estás usando para leer esta guía.
Para reconocerlos, presta atención a estas 3 cosas:una línea de separación , marcas testigo en el lado oculto y un espesor de pared relativamente uniforme en toda la parte.
Hemos recopilado algunos ejemplos de productos que se fabrican habitualmente con moldeo por inyección para ayudar a comprender mejor lo que se puede lograr con este proceso de fabricación.
juguetes
Embalaje
Miniaturas
Automoción
Eléctrico
Atención sanitaria
Ladrillos Lego
Los ladrillos Lego son uno de los ejemplos más reconocibles de piezas moldeadas por inyección. Se fabrican utilizando moldes, como el de la imagen, que produjeron 120 millones de ladrillos Lego (es decir, 15 millones de ciclos) antes de que fuera retirado de servicio.
El material utilizado para los ladrillos Lego es el ABS debido a su alta resistencia al impacto y excelente moldeabilidad. Cada ladrillo ha sido diseñado a la perfección, logrando tolerancias de hasta 10 micrometros (o una décima parte de un cabello humano).
Esto se logra en parte mediante el uso de las mejores prácticas de diseño, que examinaremos en la siguiente sección (espesor de pared uniforme, ángulos de salida, nervaduras, texto en relieve, etc.).
Un molde de ladrillo Lego retirado
Tapas de botellas
Muchos productos de embalaje de plástico están moldeados por inyección. De hecho, el embalaje es el mercado más grande para el moldeo por inyección.
Por ejemplo, las tapas de botellas se moldean por inyección a partir de polipropileno. El polipropileno (PP) tiene una excelente resistencia química y es apto para entrar en contacto con productos alimenticios.
En las tapas de las botellas, también puede ver todas las imperfecciones comunes inevitables del moldeo por inyección (línea de separación, marcas de expulsión, etc.) y características de diseño comunes (nervaduras, cortes de extracción, etc.).
Modelos de aviones
Los modelos de aviones son otro ejemplo común de piezas moldeadas por inyección. El material utilizado aquí es mayoritariamente Poliestireno (PS), por su bajo coste y facilidad de moldeo.
Lo interesante de los kits de modelos de aviones es que vienen con el sistema de guías aún instalado. Así, puedes ver el camino que siguió el plástico derretido para llenar el molde vacío.
Recambios de coche
Casi todos los componentes de plástico del interior de un coche estaban moldeados por inyección. Los 3 materiales de moldeo por inyección más comunes utilizados en la industria automotriz son el polipropileno (PP) para piezas no críticas, el PVC por su buena resistencia a la intemperie y el ABS por su alta resistencia al impacto.
Más de la mitad de las piezas de plástico de un coche están fabricadas con alguno de estos materiales, incluidos los parachoques, el interior de la carrocería y los salpicaderos.
Electrónica de consumo
Las carcasas de casi todos los dispositivos electrónicos de consumo producidos en masa estaban moldeadas por inyección. Aquí se prefieren el ABS y el poliestireno (PS) por su excelente resistencia al impacto y buen aislamiento eléctrico.
Dispositivos médicos
Hay muchos materiales esterilizables y biocompatibles disponibles para moldeo por inyección.
La silicona de grado médico es uno de los materiales más populares en la industria médica. Sin embargo, la silicona es termoestable, por lo que se requiere maquinaria y control de proceso especiales, lo que aumenta el costo.
Para aplicaciones con requisitos menos estrictos, son más comunes otros materiales, como ABS, polipropileno (PP) y polietileno (PE).
Más información sobre la fabricación de dispositivos médicos →
Parte 2
Hay varios factores que pueden afectar la calidad del producto final y la repetibilidad del proceso. Para obtener todos los beneficios del proceso, el diseñador debe seguir ciertas pautas de diseño.
En esta sección, describimos los defectos comunes del moldeo por inyección y las directrices básicas y avanzadas. a seguir al diseñar piezas, incluidas recomendaciones para mantener los costos al mínimo.
Defectos comunes del moldeo por inyección
La mayoría de los defectos en el moldeo por inyección están relacionados con el flujo del material fundido o con su velocidad de enfriamiento no uniforme durante la solidificación.
A continuación se incluye una lista de defectos a tener en cuenta al diseñar una pieza para moldeo por inyección. En la siguiente sección, veremos cómo puedes evitar cada uno de ellos siguiendo buenas prácticas de diseño.
Deformación
Cuando ciertas secciones se enfrían (y como resultado se contraen) más rápido que otras, entonces la pieza puede doblarse permanentemente debido a tensiones internas.
Las piezas con un espesor de pared no constante son las más propensas a deformarse.
Marcas de hundimiento
Cuando el interior de una pieza se solidifica antes que su superficie, puede aparecer un pequeño hueco en una superficie plana, llamado marca de hundimiento.
Las piezas con paredes gruesas o nervaduras mal diseñadas son las más propensas a hundirse.
Marcas de arrastre
A medida que el plástico se encoge, aplica presión sobre el molde. Durante la expulsión, las paredes de la pieza se deslizarán y rasparán contra el molde, lo que puede provocar marcas de arrastre.
Las piezas con paredes verticales (y sin ángulo de desmoldeo) son más propensas a tener marcas de arrastre.
Líneas de tejido
Cuando dos flujos se encuentran, pueden aparecer pequeñas decoloraciones parecidas a pelos. Estas líneas de tejido afectan la estética de las piezas, pero también generalmente disminuyen la resistencia de la pieza.
Las piezas con cambios bruscos de geometría o agujeros son más propensas a formar líneas de unión.
Planos cortos
El aire atrapado en el molde puede inhibir el flujo del material durante la inyección, dando como resultado una pieza incompleta. Un buen diseño puede mejorar la fluidez del plástico fundido.
Las piezas con paredes muy finas o nervaduras mal diseñadas son más propensas a sufrir disparos cortos.
Cómo lidiar con las socavaciones
El molde más simple (el molde de extracción recta) consta de 2 mitades. Sin embargo, es posible que las características con socavaduras (como los dientes de una rosca o el gancho de una unión a presión) no se puedan fabricar con un molde de tracción recta. Esto se debe a que el molde no se puede mecanizar mediante CNC o a que el material impide expulsar la pieza.
Los cortes entallados en el moldeo por inyección son características de las piezas que no se pueden fabricar con un molde simple de dos partes, porque el material interfiere mientras se abre el molde o durante la expulsión.
Los dientes de una rosca o el gancho de una unión a presión son ejemplos de socavados.
Aquí algunas ideas que le ayudarán a lidiar con los recortes:
Evite socavaduras mediante cierres
Evitar por completo los recortes podría ser la mejor opción . Los recortes siempre añaden costos, complejidad y requisitos de mantenimiento al molde. Un rediseño inteligente a menudo puede eliminar las socavaciones.
Los cierres son un truco útil para solucionar los cortes en las regiones internas de la pieza (para ajustes a presión) o en los lados de la pieza (para agujeros o manijas).
A continuación se muestran algunos ejemplos de cómo se pueden rediseñar las piezas moldeadas por inyección para evitar socavaduras:esencialmente, se elimina el material en el área debajo de la socavación, eliminando el problema por completo.
Mover la línea de separación
La forma más sencilla de solucionar un corte es mover la línea de separación del molde para que se cruce con él.
Esta solución es adecuada para muchos diseños con socavaduras en una superficie externa. No olvides ajustar los ángulos de tiro en consecuencia.
Utilice un corte decapado (remates)
Los cortes de desmontaje (también conocidos como relieves) se pueden utilizar cuando la característica es lo suficientemente flexible como para deformarse sobre el molde durante la expulsión. . Los cortes de decapado se utilizan para fabricar las roscas de las tapas de botellas.
Los recortes solo se pueden utilizar bajo las siguientes condiciones:
- La socavación de extracción debe ubicarse lejos de las características de refuerzo , como esquinas y nervaduras.
- El corte debe tener un ángulo de avance de 30o a 45o grados.
- La pieza moldeada por inyección debe tener espacio y debe ser flexible lo suficiente como para expandirse y deformarse.
Se recomienda evitar pelar socavaduras en piezas fabricadas con plásticos reforzados con fibra. Normalmente, los plásticos flexibles como PP, HDPE o Nylon (PA) pueden tolerar socavaduras de hasta el 5% de su diámetro.
*Pieza de ejemplo con socavados de desmontaje. La pieza se deforma al salir del molde.*Acciones laterales y núcleos deslizantes
Las acciones laterales deslizantes y los núcleos se utilizan cuando no es posible rediseñar la pieza moldeada por inyección para evitar socavaduras.
Los núcleos de acción lateral son insertos que se deslizan hacia adentro cuando el molde se cierra y se deslizan hacia afuera antes de abrirse. Tenga en cuenta que estos mecanismos añaden costo y complejidad al molde.
Siga estas pautas al diseñar acciones secundarias:
- Es necesario que haya espacio para que el núcleo entre y salga . Esto significa que la característica debe estar en el otro lado de la pieza.
- Las acciones laterales deben moverse perpendicularmente . Moverse en un ángulo distinto de 90° es más complicado, lo que aumenta los costes y los plazos de entrega.
- No olvides añadir ángulos de salida a su diseño como de costumbre, teniendo en cuenta el movimiento del núcleo de acción lateral.
Características de diseño comunes
Aprenda a diseñar las características más comunes que se encuentran en piezas moldeadas por inyección con estas pautas prácticas. Úselos para mejorar la funcionalidad de sus diseños, sin dejar de cumplir con las reglas básicas de diseño.
Sujetadores roscados (resaltes e inserciones)
Hay 3 formas de agregar sujetadores a una pieza moldeada por inyección:diseñando una rosca directamente en la pieza, agregando un saliente donde se puede fijar el tornillo o incluyendo un inserto roscado.
Modelado de un hilo directamente sobre la pieza Es posible, pero no recomendado, ya que los dientes de la rosca son esencialmente socavados, lo que aumenta drásticamente la complejidad y el costo del molde (hablaremos más sobre los socavados en una sección posterior). Un ejemplo de pieza moldeada por inyección con rosca son las tapas de botellas.
Jefes
Los jefes son muy comunes en piezas moldeadas por inyección y se utilizan como puntos de fijación o montaje. . Consisten en salientes cilíndricos con orificios diseñados para recibir tornillos, insertos roscados u otro tipo de herrajes de fijación y montaje. Una buena forma de pensar en un jefe es como una costilla que se cierra sobre sí misma en un círculo.
Los jefes se utilizan como puntos de fijación o sujeción (junto con s autorroscantes cuadrillas o insertos roscados).
*Diseño recomendado de un jefe*
Cuando se utilizan resaltes como __puntos de sujeción__, el diámetro exterior del resalte debe ser 2 veces el diámetro nominal del tornillo o inserto y su diámetro interior igual al diámetro del núcleo del tornillo. El orificio de la protuberancia debe extenderse hasta el nivel de la pared base, incluso si no se necesita toda la profundidad para el ensamblaje, para mantener un __espesor de pared uniforme__ en toda la característica. Agregue un chaflán para facilitar la inserción del tornillo o inserto.
__Para obtener mejores resultados:__
Evite diseñar salientes que se fusionen con las paredes principales
Apoye los salientes con nervaduras o conéctelos a una pared principal
Para jefes con insertos, utilice un diámetro exterior igual a 2 veces el tamaño nominal del inserto
Hilos
Inserciones roscadas de metal Se puede agregar a piezas de plástico moldeadas por inyección para proporcionar un orificio roscado duradero para sujetadores como tornillos de máquina. La ventaja de utilizar insertos es que permiten muchos ciclos de montaje y desmontaje .
Los insertos se instalan en piezas moldeadas por inyección mediante inserción térmica, ultrasónica o en el molde. Para diseñar una protuberancia que recibirá un inserto roscado, utilice pautas similares a las anteriores, utilizando el diámetro del inserto como dimensión guía.
*Un inserto roscado colocado en un saliente*
__Para obtener mejores resultados:__
Evite agregar hilos directamente en su pieza moldeada por inyección
Resaltes de diseño con un diámetro exterior igual a 2 veces el diámetro nominal del tornillo o inserto
Añade un relieve de 0,8 mm en los bordes del hilo
Utilice una rosca con un paso superior a 0,8 mm (32 hilos por pulgada)
Utilice un hilo trapezoidal o de contrafuerte
La mejor manera de solucionar los recortes creados:
Utilice una rosca con un paso superior a 0,8 mm (32 hilos por pulgada)
Para roscas externas, colóquelas a lo largo de la línea de separación
Costillas
Cuando incluso el espesor de pared máximo recomendado no es suficiente para cumplir con los requisitos funcionales de una pieza, se pueden utilizar nervaduras para mejorar su rigidez.
Al diseñar nervaduras:
● Utilice un espesor igual a 0,5 × espesor de la pared principal
● Definir una altura menor que 3 × espesor de nervadura
● Utilice un filete base con un radio mayor que ¼ × espesor de nervadura
● Agregue un ángulo de inclinación de al menos 0,25° - 0,5°
● Agregue un mínimo. distancia entre nervaduras y paredes de 4 × espesor de nervadura
Juntas a presión
Las uniones a presión son una forma muy sencilla, económica y rápida de unir dos piezas sin tornillos ni herramientas . A wide range of design possibilities exists for snap-fit joints.
As a rule of thumb, the deflection of a snap-fit joint mainly depends on its length and the permissible force that can be applied on it on its width (since its thickness is more or less defined by the wall thickness of the part). Also, snap-fit joints are another example of undercuts.
*Example of an assembly with snap-fit joints*
In the example above, the most common snap-fit joint design (known as the __cantilever snap-fit joint__) is shown. As with ribs, add a draft angle to your snap-fit joints and use a minimum thickness of 0.5x the wall thickness.
Specific guidelines on designing snap-fit joints is a big subject that goes beyond the scope of this article. For more detailed information, please refer to this article from MIT.
For best results:
Add a draft angle to the vertical walls of your snap-fit joints
Design snap-fits with thickness greater than 0.5x the wall thickness
Adjust their width and length to control their deflection and permissible force
Living hinges
Living hinges are thin sections of plastic that connect 2 segments of a part and allow it to flex and bend . Typically these hinges are incorporated in mass-produced containers, such as plastic bottles. A well-designed living hinge can last for up to a million cycles without failure.
The material used to injection mold a living hinge must be flexible. Polypropylene (PP) and Polyethylene (PE) are good choices for consumer application and Nylon (PA) for engineering uses.
A well-designed hinge is shown below. The recommended minimum thickness of the hinge ranges between 0.20 and 0.35 mm, with higher thicknesses resulting in more durable, but stiffer, parts.
{{img}}
*Example of a living hinge (left) and recommended design dimensions for PP or PE (right)*
Before going to full-scale production, prototype your living hinges using CNC machining or 3D printing to determine the geometry and stiffness that best fits your application. Add generous fillets and design shoulders with a uniform wall thickness as the main body of the part to improve the material flow in the mold and minimize the stresses. Divide hinges longer than 150 mm in two (or more) to improve lifetime.
For detailed guidelines, please refer to this MIT guide.
For best results :
-
Design hinges with a thickness between 0.20 and 0.35 mm
-
Select a flexible material (PP, PE or PA) for parts with living hinges
-
Use shoulders with a thickness equal the thickness of the main wall
-
Add fillets as large as possible
Crush ribs
Crush Ribs are small protruding features that deform to create friction when different components are pushed together, securing their possition.
Crush ribs can be an economical alternative for manufacturing high tolerance holes for tight fits . They are commonly used to house bearings or shafts and other press fit applications.
An example of a part with crush ribs is shown below. Using three crush ribs is recommended to ensure good alignment. The recommended height/radius for each rib is 2 mm . Add a minimum interference of 0.25 mm between the crush rib and the fitted part. Because of the small surface contact with the mold, crush ribs can be designed without a draft angle.
*Example of an crush rib (left) and recommended design dimensions (right)*__For best results:__
Add a minimum interference of 0.25 mm between crush rib and the component
Do not add a draft angle on the vertical walls of a crush rib
Lettering and symbols
Text is a very common feature that can be useful for logos, labels, warnings, diagrams and instructions, saving the expense of stick-on or painted labels.
When adding text, choose embossed text over engraved text, as it’s easier to CNC machine on the mold and thus more economical.
Also raising the text 0.5 mm above the part surface will ensure that the letters are easy to read. We recommend selecting a bold, rounded font style with uniform line thickness, with a size of 20 points or larger. Some font examples include:Century Gothic Bold, Arial and Verdana.
Use embossed text (0.5 mm height) instead of engraved texted
Use a font with uniform thickness and a minimum font size of 20 points
Align the text perpendicular to the parting line
Use a height (or depth) greater than 0.5 mm
Tolerances
Injection molding typically produces parts with tolerances of ± 0.250 mm (0.010").
Tighter tolerances are feasible in certain circumstances (down to ± 0.125 mm - and even ± 0.025 mm), but they increase the cost drastically.
For small production runs (<10,000 units), consider using a secondary operation (such as drilling) to improve accuracy. This ensures the correct interference of the part with other components or inserts (for example, when using press fits).
Design rules for injection molding
One of the biggest benefits of injection molding is how easily complex geometries can be formed, allowing a single part to serve multiple functions.
Once the mold is manufactured, these complex parts can be reproduced at a very low cost. But changes to the mold design at later stages of development can be very expensive, so achieving the best results on the first time es esencial. Follow the guidelines below to avoid the most common defects in injection molding.
Use a constant wall thickness
Use a uniform wall thickness throughout the part (if possible) and avoid thick sections . This is essential as non-uniform walls can lead to warping or the part as the melted material cools down.
If sections of different thickness are required, make the transition as smooth as possible using a chamfer or fillet. This way the material will flow more evenly inside the cavity, ensuring that the whole mold will be fully filled.
For best results:
Use a uniform wall thickness within the recommended values
When different thickness are required, smoothen the transition using a chamfer or fillet with length that is 3x the difference in thickness
Hollow out thick sections
Thick sections can lead to various defects, including warping and sinking. Limiting the maximum thickness of any section of your design to the recommended values by making them hollow is essential.
To improve the strength of hollow section, use ribs to design structures of equal strength and stiffness but reduced wall thickness. A well-designed part with hollow sections is shown below:
*Hollow thick sections and add ribs to improve stiffness*Ribs can also be used to improve the stiffness of __horizontal sections__ without increasing their thickness. Remember though that the wall thickness limitations still apply. Exceeding the recommended rib thickness (see below) can result in sink marks.
*The wall thickness limitations still apply for ribs*For best results:
Hollow out thick sections and use ribs to improve the strength and stiffness of the part
Design ribs with max. thickness equal to 0.5x the wall thickness
Design ribs with max. height equal to 3x the wall thickness
Add smooth transitions
Recommended: 3 × wall thickness difference
Sometimes sections with different wall thicknesses cannot be avoided. In these cases, use a chamfer or fillet to make the transition as smooth as possible.
Similarly, the base of vertical features (like ribs, bosses, snap-fits) must also always be rounded.
Round all edges
The uniform wall thickness limitation also applies to edges and corners:the transition must be as smooth as possible to ensure good material flow.
For interior edges , use a radius of at least 0.5 x the wall thickness . For exterior edges , add a radius equal to the interior radius plus the wall thickness . This way you ensure that the thickness of the walls is constant everywhere (even at the corners).
Adding to this, sharp corners result in stress concentrations which can result in weaker parts.
*Add wide radii to all edges to maintain uniform wall thickness and avoid defects*
For best results:
Add a fillet equal to 0.5x the wall thickness to internal corners
Add a fillet equal to 1.5x the wall thickness to external corners
Add draft angles
To make the ejection of the part from the mold easier, a draft angle must be added to all vertical walls. Walls without a draft angle will have drag marks on their surface, due to the high friction with the mold during ejection.
A minimum draft angle of 2° is recommended. Larger draft angles (up to 5o °) should be used on taller features.
Obtenga más información sobre la importancia de los ángulos de salida en este artículo →
A good rule of thumb is to increase the draft angle by one degree for every 25 mm . For example, add a draft angle of 3o degrees to a feature that is 75 mm tall. Larger draft angle should be used if the part has a textured surface finish . As a rule of thumb, add 1o to 2o extra degrees to the results of the above calculations.
Remember that draft angles are also necessary for ribs. Be aware though that adding an angle will reduce the thickness of the top of the rib, so make sure that your design complies with the recommended minimum wall thickness.
*Add a draft angle (minimum 2o)to all vertical walls*__For best results:__
Add a minimum draft angle of 2o degrees to all vertical walls
For features taller than 50 mm, increase the draft angle by one degree every 25 mm
For parts with textured surface finish, increase the the draft angle by 1-2o extra degrees
Part 3
Injection molding materials
Injection molding is compatible with a wide range of plastics. In this section, you’ll learn more about the key characteristics of the most popular materials. We’ll also discuss the standard surface finishes that can be applied to injection molded parts.
Materials used for injection molding
All thermoplastics can be injection molded. Some thermosets and liquid silicones are also compatible with the injection molding process.
They can be also reinforced with fibers, rubber particles, minerals or flame retardant agents to modify their physical properties. For example fiberglass can be mixed with the pellets at ratios of 10%, 15% or 30% resulting in parts with higher stiffness.
Polypropylene (PP)
The most common Injection molding plastic. Excellent chemical resistance. Food-safe grades available. Not suitable for mechanical applications.
ABS
Common thermoplastic with high impact resistance, low-cost &low density. Vulnerable to solvents.
Polyethylene (PE)
Lightweight thermoplastic with good impact strength &weather resistance. Suitable for outdoor applications.
Polystyrene (PS)
The Injection molding plastic with the lowest cost. Food-safe grades available. Not suitable for mechanical applications.
Polyurethane (PU)
Thermoplastic with high impact strength and good mechanical properties &hardness. Suitable for molding parts with thick walls.
Nylon (PA 6)
Engineering thermoplastic with excellent mechanical properties and high chemical &abrasion resistance. Susceptible to moisture.
Polycarbonate (PC)
The plastic with the highest impact strength. High thermal resistance, weather resistance &toughness. Can be colored or transparent.
PC/ABS
Blend of two thermoplastics resulting in high impact strength, excellent thermal stability, and high stiffness. Vulnerable to solvents.
POM (Acetal/Delrin)
Engineering thermoplastic with high strength, stiffness &moisture resistance and self-lubricating properties. Relatively prone to warping.
PEEK
High-performance engineering thermoplastic with excellent strength and thermal &chemical resistance. Used to replace metal parts.
Silicone rubber
Thermoset with excellent heat &chemical resistance and customizable shore hardness. Food-safe and medical grade available.
An additive that is commonly used to improve the stiffness of the injection molded parts is fiberglass. The glass fibers can be mixed with the pellets at ratios of 10%, 15% or 30%, resulting in different mechanical properties.
Colorant can be added to the mixture (at a ratio of about 3%) to create a great variety of colored parts. Standard colors include red, green, yellow, blue, black and white and they can be mixed to create different shades.
Surface finishes and SPI standards
Surface finishes can be used to give an injection molded part a certain look or feel. Besides cosmetic purposes surface finishes can also serve technical needs . For example, the average surface roughness (Ra) can dramatically influence the lifetime of sliding parts such as plain bearings.
Injection molded parts are not usually post-processed, but the mold itself can be finished to various degrees.
Keep in mind that rough surfaces increase the friction between the part and the mold during ejection, therefore a larger draft angle is required.
The Society of Plastics Industry (SPI) explains several standard finishing procedures that result in different part surface finishes.
A-2
A-3 Suitable for parts that require the smoothest surface finish for cosmetic or functional purposes (Ra less than 0.10 μm). The A-1 finish is suitable for parts with mirror-like finish and lenses. Semi-gloss finish The mold is smoothed with fine grit sandpaper, resulting in a fine surface finish. B-1
B-2
B-3 Suitable for parts that require a good visual appearance , but not a high glossy look. Matte finish The mold is smoothed using fine stone powder, removing all machining marks. C-1
C-2
C-3 Suitable for parts with low visual appearance requirements , but machining marks are not acceptable. Textured finish The mold is first smoothed with fine stone powder and then sandblasted, resulting in a textured surface. D-1
D-2
D-3 Suitable for parts that require a satin or dull textured surface finish. As-machined finish The mold is finished to the machinist's discretion. Tool marks will be visible. - Suitable for non-cosmetic parts , such industrial or hidden components.
When selecting a glossy surface finish, remember these useful tips:
- A high glossy mold finish is not equivalent to a high glossy finished product. It is significantly subject to other factors such as plastic resin used, molding condition and mold design. For example, ABS will produce parts with a higher glossy surface finish than PP. To find the recommended material and surface finish combination visit the appendix.
- Finer surface finishes require a higher grade material for the mold. To achieve a very fine polish, tool steels with the highest hardness are required. This has an impact on the overall cost (material cost, machining time and post-processing time).
Part 4
Cost reduction tips
Learn more about the main cost drivers in injection molding and actionable design tips that will help you reduce the costs of your project.
Cost drivers in injection molding
The biggest costs in injection molding are:
- Tooling costs determined by the total cost of designing and machining the mold
- Material costs determined by the volume of the material used and its price per kilogram
- Production costs determined by the total time the Injection molding machine is used
Tooling costs are constant (starting at $3,000 and up to $5,000). This cost is independent of the total number of manufactured parts, while the material and production costs are dependent on the production volume.
For smaller productions (1,000 to 10,000 units), the cost of tooling has the greatest impact on the overall cost (approximately 50-70%). So, it’s worthwhile altering your design accordingly to simplify the process of manufacturing of the mold (and its cost).
For larger volumes to full-scale production (10,000 to 100,000+ units), the contribution of the tooling costs to the overall cost is overshadowed by the material and production costs. So, your main design efforts should focus on minimizing both the volume part and the time of the molding cycle.
Here we collected some tips to help you minimize the cost of your Injection molded project.
Tip #1:Stick to the straight-pull mold
Side-action cores and the other in-mold mechanisms can increase the cost of tooling by 15% to 30%. This translates to a minimum additional cost for tooling of approximately $1,000 to $1,500.
In a previous section, we examined ways to deal with undercuts. To keep your production on-budget, avoid using side-action cores and other mechanisms unless absolutely necessary.
Tip #2:Redesign the injection molded part to avoid undercuts
Undercuts always add cost and complexity, as well as maintenance to the mold. A clever redesign can often eliminate undercuts.
Tip #3:Make the injection molded part smaller
Smaller parts can be molded faster resulting in a higher production output, making the cost per part lower. Smaller parts also result in lower material costs and reduce the price of the mold.
Tip #4:Fit multiple parts in one mold
As we saw in a previous section, fitting multiple parts in the same mold is common practice. Usually, 6 to 8 small identical parts can fit in the same mold, essentially reducing the total production time by about 80%.
Parts with different geometries can also fit in the same mold (remember, the model airplane example). This is a great solution for reducing the overall cost of assembly.
Here’s an advanced technique:
In some cases, the main body of 2 parts of an assembly is the same. With some creative design, you can create interlocks points or hinges at symmetrical locations, essentially mirroring the part. This way the same mold can be used to manufacture both halves, cutting the tooling costs in half.
Tip #5:Avoid small details
To manufacture a mold with small details require longer machining and finishing times. Text is an example of this and might even require specialized machining techniques such as electrical discharge machining (EDM) resulting in higher costs.
Tip #6:Use lower grade finishes
Finishes are usually applied to the mold by hand, which can be an expensive process, especially for high-grade finishes. If your part is not for cosmetic use, don’t apply a costly high-grade finish.
Tip #7:Minimize the part volume by reducing wall thickness
Reducing the wall thickness of your part is the best way to minimize the part volume. Not only does it mean less material is used, but also the injection molding cycle is greatly accelerated.
For example, reducing the wall thickness from 3 mm to 2 mm can reduce the cycle time by 50% to 75%.
Thinner walls mean that the mold can be filled quicker. More importantly, parts thinner parts cool and solidify much faster. Remember that about half the injection molding cycle is spent on the solidification of the part while the machine is kept idle.
Care must be taken through to not overly reduce the stiffness of the part which would downgrade its mechanical performance. Ribs in key locations can be used to increase stiffness.
Tip #8:Consider secondary operations
For lower volume productions (less than 1000 parts), it may be more cost effective to use a secondary operation to complete your injection molded parts. For example, you could drill a hole after molding rather than using an expensive mold with side-action cores.
Part 5
Start Injection molding
Once your design ready and optimized for injection molding, what’s next? In this section we’ll take you through the steps needed to start manufacturing with injection molding.
Step 1:Start small and prototype fast
Before you commit to any expensive injection molding tooling, first create and test a functional prototype of your design.
This step is essential for launching a successful product. This way design errors can be identified early, while the cost of change is still low.
There are 3 solutions for prototyping:
- 3D printing (with SLS, SLA or Material Jetting)
- CNC machining in plastic
- Low-run injection molding with 3D printed moldsThese processes can create realistic prototypes for form and function that closely resemble the appearance of the final injection molding product.
Use the information below as a quick comparis on guide to decide which solution is best for your application.
Prototyping with 3D printing
Designs optimized for injection molding can be easily 3D printed
The prototyping solution with the lowest cost and fastest turnaround
Not every injection molding material is available for 3D printing
3D printed parts are 30-50% weaker than injection molded parts
Prototyping with CNC machining
Material properties identical to the injection molded parts
Excellent accuracy and finishing
Design modifications may be need, as different design restrictions apply
More expensive than 3D printing with longer lead time
Prototyping with low-run injection molding
The most realistic prototypes with accurate material properties
The actual process and mold design is simulated
The prototyping solution with the highest cost
Smaller availability than CNC or 3D printing
Step 2 :Make a “pilot run” (500 - 10,000 parts)
With the design finalized, it time to get started with Injection molding with a small pilot run.
The minimum order volume for injection molding is 500 units. For these quantities, the molds are usually CNC machined from aluminum. Aluminum molds are relatively easy to manufacture and low in cost (starting at about $3,000 to $5,000) but can withstand up to 5,000 - 10,000 injection cycles.
At this stage, the typical cost per part varies between $1 and $5, depending on the geometry of your design and the selected material. The typical lead time for such orders is 6-8 weeks.
Don’t get confused by the term “pilot run”. If you only require a few thousand parts, then this would be your final production step.
The parts manufactured with “pilot” aluminum molds have physical properties and accuracy identical to parts manufactured with “full-scale production” tool steel molds.
Step 3 :Scale up production (100,000+ parts)
When producing parts massive quantities of identical parts (from 10,000 to 100,000+ units) then special Injection molding tooling is required.
For these volumes, the molds are CNC machined from tool steel and can withstand millions of Injection molding cycles. They are also equipped with advanced features to maximize production speeds, such as hot-tip gates and intricate cooling channels.
The typical unit cost at this stage varies between a few cents to $1 and the typical lead time is 4 to 6 months, due to the complexity of designing and manufacturing the mold.
Part 6
Useful resources
In this guide we touched on everything you need to get started with injection molding - but there’s plenty more to learn.
Here are the most useful resources on injection molding and other digital manufacturing technologies if you want to delve deeper.
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