Inyección de bajo volumen: Guía probada de impresión 3D para prototipos rentables

Aunque la inyección de plástico se considera tradicionalmente un proceso solo para producción en masa debido a sus altos costes de utillaje, aprovechar la impresión 3D para fabricar moldes de inyección permite utilizar este proceso para producir piezas de alta calidad y repetibles para prototipado y producción de bajo volumen.

En esta guía completa, aprenda cómo usar moldes de inyección impresos en 3D con máquinas de sobremesa e industriales para producir eficientemente cientos de prototipos funcionales y piezas que aceleran el desarrollo de productos, reducen costes y plazos, y llevan mejores productos al mercado.

Inyección de bajo volumen vs. inyección tradicional

La inyección es uno de los principales procesos para fabricar plásticos. Es una tecnología rentable y extremadamente repetible que produce piezas de alta calidad para series grandes. Por ello, se usa ampliamente para producir en masa piezas idénticas con tolerancias ajustadas.

La inyección es un proceso rápido e intenso donde intervienen alto calor y presión para inyectar material fundido dentro de un molde. El material fundido depende del alcance del proyecto. Los materiales más populares son diversos termoplásticos, como ABS, PS, PE, PC, PP o TPU, pero también pueden inyectarse metales y cerámicas. El molde consiste en una cavidad que aloja el material fundido inyectado y está diseñada para reflejar fielmente las características finales de la pieza.

Los moldes se fabrican tradicionalmente en metal mediante mecanizado CNC o electroerosión (EDM). Son métodos industriales costosos que requieren equipos especializados, software de alta gama y mano de obra cualificada. Como resultado, la producción de un molde metálico suele tardar de cuatro a ocho semanas y cuesta entre 2.000 y 100.000 $ o más, según la forma y complejidad de la pieza. Para cantidades menores, el coste, tiempo, equipamiento especializado y mano de obra necesaria para fabricar el molde con metales y métodos de utillaje comunes a menudo hace que la inyección a esta escala sea inaccesible. Sin embargo, existen alternativas al mecanizado de moldes metálicos. Aprovechar la impresión 3D interna para fabricar moldes de inyección para prototipado y producción de bajo volumen reduce significativamente coste y tiempo frente a moldes metálicos, manteniendo piezas de alta calidad y repetibles.

En este vídeo, nos asociamos con el proveedor de servicios de inyección Multiplus para guiarle por los pasos del proceso de inyección usando moldes impresos en 3D.

La impresión 3D de escritorio es una solución potente para fabricar moldes de inyección rápida y económicamente. Requiere equipamiento muy limitado, ahorrando tiempo de CNC y operarios cualificados para otras tareas de alto valor. Los fabricantes pueden beneficiarse de la velocidad y flexibilidad de la impresión 3D interna para crear el molde y combinarlo con la fuerza productiva de la inyección para entregar series de unidades en termoplásticos comunes en cuestión de días. Incluso pueden lograr formas de molde complejas que serían difíciles de fabricar tradicionalmente y usarse tanto en máquinas de sobremesa como industriales, permitiendo a los equipos de desarrollo ser más innovadores. Además, el desarrollo de productos se beneficia de la capacidad de iterar el diseño y testar el material de uso final antes de invertir en utillaje duro.

Aunque la impresión 3D de moldes ofrece estas ventajas cuando se usa apropiadamente, aún existen limitaciones a considerar. No se debe esperar el mismo rendimiento de un molde polimérico impreso en 3D que de uno metálico mecanizado. Las dimensiones críticas son más difíciles de cumplir, el tiempo de enfriamiento es mayor porque la transferencia térmica es más lenta en plástico, y los moldes impresos pueden romperse más fácilmente bajo calor y presión. Sin embargo, empresas de toda la industria siguen implementando moldes impresos en 3D en sus flujos de trabajo de inyección de series cortas, permitiéndoles producir rápidamente cientos a miles de piezas. Desde diseñar prototipos funcionales con materiales de uso final, fabricar piezas durante producción piloto, o fabricar piezas finales de bajo volumen o personalizadas, la impresión 3D de moldes de inyección es una forma rentable y rápida de producir piezas en cantidades limitadas.

La tecnología de estereolitografía (SLA) es una excelente opción para moldeo. Se caracteriza por un acabado superficial liso y alta precisión que el molde transferirá a la pieza final y que también facilita el desmoldeo. Las piezas 3D producidas por estereolitografía están químicamente enlazadas de forma que son totalmente densas e isotrópicas, produciendo moldes funcionales con una calidad no posible con modelado por deposición fundida (FDM). Las impresoras SLA de escritorio, como las de Formlabs, se integran perfectamente en cualquier flujo de trabajo de inyección al ser fáciles de implementar, operar y mantener.

Un núcleo de molde de inyección impreso en 3D ensamblado con un bastidor metálico.

Como alternativa para producción de volumen medio de unas 500 a 10.000 piezas, el mecanizado de moldes en aluminio también puede reducir los costes fijos asociados a la fabricación de moldes. El mecanizado de aluminio es de cinco a diez veces más rápido que el acero y causa menos desgaste en el utillaje, lo que significa plazos de entrega más cortos y menores costes. El aluminio también conduce el calor más rápido que el acero, resultando en menor necesidad de canales de enfriamiento y permitiendo a los fabricantes simplificar diseños de moldes manteniendo ciclos cortos.

En resumen, aquí tiene una visión general de los diferentes métodos de inyección y los tipos de molde que resultan en el proceso más eficiente y menor coste por pieza según el volumen de producción:

	Inyección de Bajo Volumen	Inyección de Volumen Medio	Inyección de Alto Volumen
Método	Producción interna de molde y moldeo	Producción externalizada de molde y moldeo	Producción externalizada de molde y moldeo
Equipamiento requerido	Impresora 3D, máquina de inyección de sobremesa	-	-
Molde	Polímero impreso en 3D	Aluminio mecanizado	Acero mecanizado
Coste del molde	<$100	$2.000 - $5.000	$10.000 - $100.000
Plazo a piezas finales	1-3 días	3-4 semanas	4-8 semanas
Volumen de producción ideal	<500	500 - 10.000	5.000+
Aplicaciones	Prototipado rápido Inyección personalizada Inyección de series cortas	Inyección de series cortas	Producción en masa

El tipo de prensa de inyección no influye significativamente en el proceso para inyección de bajo volumen; máquinas industriales grandes tradicionales también pueden usarse con moldes impresos en 3D. Sin embargo, estas máquinas son costosas, tienen requisitos estrictos de instalaciones y requieren mano de obra cualificada, por lo que la mayoría de empresas externalizan producción de volumen medio y alto a proveedores de servicios y fabricantes por contrato.

Si es nuevo en inyección y busca probarla con inversión limitada, usar una máquina de inyección manual de sobremesa como la Holipress o la Galomb Model-B100 podría ser una buena opción. Equipos automatizados de inyección a pequeña escala como la Micromolder de sobremesa o la hidráulica Babyplast 10/12 son buenas alternativas para producción de series medias de piezas pequeñas.

¿Tiene curiosidad por los diferentes factores que componen el coste total de inyección? Lea nuestra guía completa.

Documento técnico: Inyección rápida de bajo volumen con moldes impresos en 3D

Descargue nuestro documento técnico para directrices sobre el uso de moldes impresos en 3D en el proceso de inyección para reducir costes y plazos, y vea casos reales con Braskem, Holimaker y Novus Applications.

Flujo de trabajo paso a paso para inyección de bajo volumen

El flujo de trabajo incluye los siguientes siete pasos:

1. Diseño del molde

Diseñe el molde para su pieza en el software CAD de su elección. Respete las reglas de diseño comunes para fabricación aditiva y diseño de moldes de inyección. Recomendaciones específicas para moldes poliméricos impresos en 3D se encuentran en nuestro documento técnico.

Suba su diseño a PreForm, software de preparación de impresión de Formlabs. Prepare su impresión y envíela a su impresora 3D Formlabs.

2. Impresión 3D del molde

Elija un material de impresión 3D e inicie la impresión. La Resina Rigid 10K a 50 micras de altura de capa es una opción ideal para la mayoría de diseños de moldes, ya que combina alta resistencia, rigidez y resistencia térmica.

Cuando sea posible, se recomienda imprimir el molde plano, directamente sobre la plataforma de construcción sin soportes, para reducir alabeo.

Tras lavado y post-curado, su molde impreso en 3D está listo para integrarse en su proceso de inyección.

3. Montaje del molde

Antes del montaje, puede optar por terminar el molde para cumplir dimensiones críticas con lijado manual, mecanizado de sobremesa o CNC.

Se recomienda colocar el molde impreso dentro de un bastidor metálico estándar, o una Unidad Matriz Maestra, para soportar altas presiones y extender la vida útil del molde impreso. Ensamble cuidadosamente el molde impreso dentro del bastidor metálico. Añada expulsores, insertos, piezas de acción lateral y otros componentes según necesidad.

Instale el molde ensamblado en su máquina de inyección.

4. Cierre del molde

Inserte los gránulos de plástico, introduzca los ajustes requeridos y comience la producción. Se sugiere una fuerza de cierre menor, especialmente si el molde impreso no está protegido por un bastidor metálico.

Una amplia gama de termoplásticos puede inyectarse con moldes impresos en 3D, como TPE, PP, PE, ABS, POM, ASA, PA, PC o TPU.

5. Inyección

Pueden necesitarse algunos disparos para identificar las condiciones ideales de proceso, ya que muchos factores intervienen: geometría de la pieza, elección del plástico, temperaturas y presiones de inyección, y otros parámetros.

Reduzca la presión y temperatura de inyección tanto como sea posible.

Con un molde impreso, los usuarios de Formlabs suelen inyectar cientos de piezas en plásticos de fácil procesamiento como TPE, PP y PE con temperaturas hasta 250 °C. Con plásticos que requieren mayor temperatura de inyección como PA o PC, el molde impreso en 3D podría tener una vida útil más corta.

Lea nuestra documentación de condiciones de proceso para ver resultados de pruebas con máquinas de inyección de sobremesa e industriales.

6. Enfriamiento

El tiempo de enfriamiento de un molde polimérico impreso es mayor que el de un molde metálico, ya que la transferencia térmica es más lenta en plástico que en metal. Por tanto, añadir canales de enfriamiento al molde impreso generalmente no se sugiere.

En su lugar, el enfriamiento puede acelerarse aplicando aire comprimido para enfriar el molde, o usando pilas intercambiables.

7. Desmoldeo

Desmoldee la pieza manual o automáticamente con expulsores. Aplique un agente desmoldeante para termoplásticos de alta viscosidad. Los desmoldeantes están ampliamente disponibles y los de silicona, como productos Slide o Sprayon, son compatibles con resinas Formlabs.

Aplicaciones de inyección de bajo volumen

Las tres aplicaciones principales son prototipado rápido, inyección de series cortas e inyección personalizada o bajo demanda.

Prototipado rápido con inyección

El prototipado rápido ayuda a las empresas a convertir ideas en pruebas de concepto realistas, avanzar estos conceptos a prototipos de alta fidelidad que se ven y funcionan como productos finales, y guiar productos a través de etapas de validación hacia producción en masa.

En general, la impresión 3D es la forma más común de producir prototipos rápidos. Sin embargo, en etapas avanzadas del desarrollo, a menudo surge la necesidad de producir volúmenes ligeramente mayores de prototipos idénticos usando los mismos materiales y procesos de producción que para las piezas finales. Estos prototipos pueden usarse para pruebas beta y de campo. Combinar moldes impresos en 3D con inyección permite a los fabricantes desarrollar prototipos funcionales rápida y eficientemente, acelerando el desarrollo de productos.

Por ejemplo, la startup francesa Holimaker desarrolla una máquina de inyección manual que permite a ingenieros y diseñadores procesar piezas plásticas en su escritorio en bajas cantidades para prototipos, producción piloto o incluso series limitadas de piezas finales.

La empresa ofrece estudios de viabilidad para sus clientes, usando moldes impresos en 3D para respuesta rápida y asequible. Esto permite a sus clientes prototipar diseños rápidamente y validar condiciones de fabricación finales durante la fase de producción piloto de introducción de nuevos productos.

Prototipos de preproducción de estos tacos de fútbol fueron inyectados en moldes impresos en 3D usando tres termoplásticos diferentes: POM (180 °C), PA 6.6 (270 °C), PP (210 °C).

Al usar el mismo método de fabricación incluyendo diseño de molde y materiales, estas piezas pueden testarse en campo y asegurar que los diseños están listos para producirse a escala. Los diseños de moldes impresos en 3D pueden adaptarse fácilmente para acero de utillaje durante producción en masa.

Usando moldes impresos en 3D, Holimaker logró acortar el plazo para producir moldes para inyección a 24 horas y usan moldes de inyección impresos en 3D en el 80-90 % de sus proyectos hoy.

Inyección de series cortas

La inyección de series cortas proporciona a los fabricantes un medio para producir series menores de piezas finales para productos que solo se producen en cantidades limitadas o fabricar una serie piloto de un producto para testar el mercado antes de invertir demasiado capital.

Usar inyección de bajo volumen ofrece la oportunidad de fabricar piezas finales precisas y repetibles sin los altos costes fijos asociados a la inyección tradicional.

Multiplus es un proveedor de soluciones de inyección con sede en Shenzhen que cubre todo el ciclo de producción desde diseño hasta fabricación de productos plásticos y da servicio a más de 250 clientes al año, incluyendo algunas empresas Fortune 500. Algunos de estos clientes requieren producción en pequeños lotes, que tradicionalmente es costosa y lenta con inyección debido a la complejidad de fabricar utillaje duro.

Cajas de control ABS recién inyectadas usando moldes de inyección impresos en 3D.

Al crecer la demanda de producción en pequeños lotes, Multiplus recurrió a la impresión 3D para explorar diferentes materiales en busca de una forma rentable de producir moldes plásticos más baratos para pedidos pequeños y series piloto. Fabricar moldes de inyección de bajo volumen con impresoras 3D Formlabs redujo costes, mano de obra y tiempo frente al mecanizado de moldes de aluminio, y pudo usarse perfectamente con sus máquinas industriales de inyección Babyplast.

Inyección personalizada o bajo demanda

La inyección personalizada o rápida bajo demanda puede requerirse para fabricar piezas finales personalizadas para propósitos específicos, como factores humanos, aplicación u ocasión, a menudo en plazos expeditos. El volumen limitado y/o plazo corto significa que la inyección tradicional con utillaje duro no es ni eficiente ni factible. En estos casos, la inyección de bajo volumen con moldes impresos en 3D es una solución ideal para acelerar el proceso y entregar piezas personalizadas.

El ejemplo de Braskem, una de las principales empresas petroquímicas mundiales, destaca el caso de uso de moldeo impreso en 3D para cumplir pedidos rápidos bajo demanda. Durante la primera ola de la pandemia de COVID-19, la empresa necesitó producir miles de tiras para mascarillas para proteger a su plantilla global. Braskem identificó la inyección como el método ideal para producir las piezas, pero sin acceso a impresión 3D, habrían tenido que externalizar un molde metálico costoso, perdiendo dinero y tiempo valioso.

Braskem usó un molde impreso en 3D combinado con una máquina de inyección industrial tradicional para inyectar rápidamente las tiras de mascarilla.

El equipo de Braskem recurrió a la inyección usando una impresora 3D Formlabs Form 3 para imprimir el molde de sus tiras y la máquina de inyección totalmente eléctrica Cincinnati Milacron 110 Ton Roboshot para desarrollar las tiras.

Gracias a la impresión 3D, el equipo produjo miles de tiras en una semana desde que recibió el email del VP y las preparó para envío a oficinas en todo el mundo.

Comience con la inyección de bajo volumen

Acelere el desarrollo de productos, reduzca costes y plazos, y lleve mejores productos al mercado incorporando impresión 3D e inyección de bajo volumen en su proceso de desarrollo.