Moldes de inyección impresos en 3D:materiales comparados

Introducción

El uso de procesos de impresión 3D para crear herramientas de uso final se está volviendo cada vez más común a medida que aumentan las capacidades de las tecnologías.

En este artículo nos centramos en una aplicación específica de herramientas:el moldeo por inyección de baja tirada. Puede encontrar una revisión extensa de las aplicaciones de la impresión 3D en esta área aquí. En este artículo, comparamos dos materiales populares que se utilizan actualmente en la industria para la fabricación de moldes de inyección.

El moldeo por inyección es una aplicación muy exigente para un material impreso en 3D, ya que los moldes deben soportar las fuerzas de procesamiento a una temperatura elevada y conservar su precisión dimensional en múltiples ejecuciones. Los moldes de inyección impresos en 3D son los más adecuados para:

Tiempos de respuesta rápidos (1 a 2 semanas en lugar de 5 a 7 semanas).
Aplicaciones donde las cantidades de producción son bajas (50 - 100 partes).
Diseños de moldes en los que es probable que se produzcan cambios o iteraciones.
Piezas relativamente pequeñas (menos de 150 mm).

Requisitos de materiales para la fabricación de moldes

Un material de impresión 3D apto para la fabricación de moldes de inyección debe tener:

• Alta rigidez: Los moldes deben conservar su buena precisión dimensional en múltiples ejecuciones y soportar las altas presiones durante la inyección de material sin deformarse.
  
• Resistencia a altas temperaturas: Una temperatura alta de deflexión térmica (HDT) es crucial, no solo para garantizar que el molde no falle durante la inyección del material, sino también para permitir un control más preciso del proceso.
  
• Alto nivel de detalle: Los moldes de inyección deben tener una alta precisión dimensional y una superficie lisa. Los moldes de alta precisión producirán piezas de alta precisión.
  
  

Los dos procesos de impresión 3D que pueden producir piezas suaves y de alta precisión (sin un extenso procesamiento posterior) son la inyección de material y la estereolitografía (SLA). Si bien Material Jetting es un proceso exclusivamente industrial, existen sistemas SLA tanto de escritorio como industriales. Sin embargo, los materiales disponibles y las capacidades de producción de las impresoras 3D SLA de escritorio no son viables para la producción de alta gama, por lo que no se discutirán aquí.

En este artículo nos centramos en dos materiales que han demostrado ser adecuados para la fabricación de moldes de inyección de baja producción en un entorno industrial:Digital ABS plus para Material Jetting de Stratasys y Somos PreFORM para SLA de DSM.

Descargo de responsabilidad: las propiedades de los materiales que se enumeran a continuación son proporcionadas por los fabricantes y corresponden a piezas que han llevado a cabo el proceso de poscurado térmico óptimo.

Comparación de materiales

Propiedades mecánicas - Rigidez

Somos PerFORM tiene una resistencia a la tracción y a la flexión muy alta, no solo en comparación con el ABS digital, sino también entre todos los demás materiales industriales de impresión 3D (por ejemplo, nailon SLS). Sin embargo, es más frágil (baja elongación a la rotura) y tiene una menor resistencia al impacto. Para la fabricación de moldes, las propiedades mecánicas de Somos PerFORM son preferibles, ya que los requisitos principales son una gran rigidez y resistencia.

	ABS Plus digital	Somos PerFORM
Resistencia a la tracción	55 - 60 MPa	80 MPa
Módulo de tracción	2600 - 3000 MPa	9800 MPa
Alargamiento a la rotura	25 - 40 %	1,2 %
Resistencia a la flexión	65 - 75 MPa	146 MPa
Módulo de flexión	1700 - 2200 MPa	9030 MPa
Impacto Izod (muesca)	90 - 115 J/m	20 J/m
Dureza (shore D)	85 - 87	93

Propiedades térmicas - Resistencia a la temperatura

La temperatura de deflexión térmica (HDT) indica la temperatura a la que un polímero se deforma bajo una carga determinada. La temperatura de transición vítrea (Tg) es la región de temperatura en la que el material termoestable pasa de un estado sólido "vítreo" a un estado "gomoso" más flexible. Para aplicaciones de moldeo por inyección, son preferibles valores altos de HDT y Tg, por lo que Somos PerFORM nuevamente supera a Digital ABS.

	ABS Plus digital	Somos PerFORM
HDT (@ 0,46 MPa) *	92 - 95 °C	268 °C
Temperatura de transición vítrea (Tg)	47 - 53 °C	81 °C

^{*:después del posprocesamiento térmico} ### Proceso de impresión 3D - Nivel de detalle {#detail}Digital ABS y Somos PerFORM se utilizan en diferentes procesos de impresión 3D. Las capacidades de un Material Jetting típico y de un sistema SLA industrial típico se describen en la siguiente tabla. Ambas tecnologías pueden producir piezas muy suaves con detalles intrincados y requieren poco procesamiento posterior. Digital ABS tiene una pequeña ventaja sobre Somos PerFORM en cuanto al nivel de detalle, ya que Material Jetting tiene la precisión dimensional más alta entre todas las tecnologías de impresión 3D (con SLA en segundo lugar).

	ABS Plus digital	Somos PerFORM
Proceso	Lanzamiento de material	SLA industrial
Precisión dimensional típica	± 0,1 % (límite inferior de ± 0,05 mm)	± 0,15 % (límite inferior ± 0,05 mm)
Tamaño mínimo de función	0,05 mm	0,10 mm
Grosor de pared mínimo	0,6 mm	0,8 mm
Altura mínima de capa	14 - 16 micras	25 - 50 micras

Capacidades de producción

Tanto Digital ABS como Somos PerFORM se han utilizado en entornos industriales para producir moldes de inyección de baja producción. La siguiente tabla resume la cantidad de piezas que puede producir un solo molde utilizando materiales que se consideran "fáciles" y "difíciles" de moldear (PP y PA relleno de fibra de vidrio, respectivamente).

Las diferencias en las propiedades mecánicas y térmicas de los dos materiales tienen un impacto en el número total de piezas que puede producir un molde. En condiciones normales de funcionamiento (después de las primeras 3 o 4 ejecuciones), el molde impreso en 3D alcanzará una temperatura de aproximadamente 120 ^o C, a medida que se calienta a partir del material fundido. Una buena estabilidad térmica es crucial para minimizar el deterioro del molde. Las muestras de prueba PA GF de la siguiente imagen se produjeron utilizando diseños de molde idénticos que se imprimieron en 3D en los dos materiales (ambos muestran la pieza producida después de la décima ejecución). La calidad de la pieza producida con el molde Digtal ABS es mucho menor, ya que el molde ha comenzado a sobrecalentarse y deteriorarse, mientras que el molde Somos PerFORM aún se mantuvo estable.

	ABS digital Plus †	Somos PerFORM ‡
Piezas en material "fácil" *	50 - 100	100 - 200
Piezas en material "difícil" **	5 - 30	30 - 50

^{* Polipropileno (PP)
** Poliamida cargada con fibra de vidrio (PA GF)
† Fuente:Promolding
‡ Fuente:Wehl &Partner}

Resumen y Conclusiones

El moldeo por inyección es una aplicación de herramientas muy exigente:el material debe tener una gran rigidez y debe poder funcionar a temperaturas elevadas.

Material Jetting y SLA son los únicos procesos de impresión 3D que pueden producir piezas con la precisión dimensional y el acabado superficial necesarios para las aplicaciones industriales. Comparamos dos materiales (uno para cada proceso) que se utilizan para fabricar moldes de inyección de bajo volumen impresos en 3D.

Aunque Digital ABS plus es un material excelente para la mayoría de las aplicaciones funcionales, la mayor rigidez y las propiedades térmicas superiores de Somos PerFORM lo hacen más adecuado para la fabricación de moldes. Esto es evidente por la cantidad de piezas que puede producir cada molde fabricado con los dos materiales.

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Reglas generales

• Si se requiere una precisión muy alta y un acabado superficial suave, Material Jetting y SLA son los procesos de impresión 3D más adecuados para la fabricación de moldes.
  
• Para conservar su precisión en varias ejecuciones, los materiales de impresión 3D para la fabricación de moldes de inyección deben tener una gran rigidez.
  
• Un HDT alto permite el uso de temperaturas de molde más altas durante el procesamiento.