Cómo la impresión 3D revoluciona la fabricación de moldes: Beneficios e innovaciones

Tradicionalmente, los procesos de producción más usados en la industria se han clasificado en dos grandes grupos: la fabricación sustractiva, representada principalmente por el mecanizado CNC, y la fabricación formativa o por moldeo, representada por el moldeo por inyección y la fundición a la cera perdida. Ambos grupos han convivido hasta hoy, y la elección de uno u otro ha dependido principalmente de la complejidad de la pieza, el material elegido o el volumen de fabricación.

En los últimos tiempos, en la industria se ha abierto hueco un tercer grupo hasta convivir con los dos anteriores: la fabricación aditiva o impresión 3D. Salvo en casos muy concretos o aplicaciones muy específicas, actualmente tanto la fabricación sustractiva como la aditiva y la formativa admiten un gran número de materiales comunes y son capaces de producir piezas de alta complejidad. Por eso muchas veces el criterio para seleccionar una u otra se basa principalmente en el coste de producción.

Imagen 1: Curvas de coste unitario según volumen de producción. Fuente: 3Dhubs.com

En volúmenes de producción bajos o medios, el moldeo no puede competir con la fabricación aditiva y el mecanizado CNC, principalmente por los altos costes de amortización de equipos y la necesidad de moldes de alto coste. Sin embargo, cuando se trata de fabricación en masa, el moldeo es el rey indiscutible.

La conformación por moldeo requiere la fabricación de moldes para inyección, y negativos de cera sacrificiales en el caso de fundición a la cera perdida, que a su vez también requieren moldes o métodos CNC para su producción. Y por eso el mecanizado CNC sigue siendo necesario incluso en procesos de conformación por moldeo, ya que tradicionalmente ha sido el método más común en la producción de moldes reutilizables.

Imagen 2: Molde para moldeo por inyección. Fuente: https://commons.wikimedia.org/

Imagen 3: Modelo de cera para fundición a la cera perdida. Fuente: https://commons.wikimedia.org/

Pero, ¿qué puede aportar la impresión 3D al moldeo?

Fundición a la cera perdida (Investment Casting)

La fundición a la cera perdida consiste en aplicar un recubrimiento cerámico a un modelo de cera sacrificial y calcinarlo para obtener así el molde. Es un proceso muy usado en la fabricación de componentes mecánicos de fundición de hierro por su alta precisión y por permitir la producción de formas altamente complejas.

El principal inconveniente de este proceso es que el molde se destruye al extraer la pieza, por lo que es necesario crear un modelo de cera y un molde para cada pieza.

Video 1: Proceso de fundición a la cera perdida. Fuente: Niagara Investment Castings

Para producir los modelos de cera, se requiere un molde permanente, generalmente mecanizado en aluminio mediante CNC. Esto significa que para bajos volúmenes de producción los costes se disparan. Otra alternativa es usar mecanizado CNC para producir los modelos de cera en el caso de prototipos o fabricación de pocas unidades, pero aunque los costes se reducen requiere equipos costosos y tiene ciertas limitaciones respecto a piezas complejas.

Aquí es donde la impresión 3D puede suponer un cambio de paradigma. Por un lado, el desarrollo de nuevos materiales calcinables tanto para impresión SLA como FDM permite sustituir los modelos de cera tradicionales por modelos poliméricos impresos en 3D. Esto supone una serie de ventajas no solo a nivel de costes de producción de los modelos, sino también en ahorro de tiempo y agilidad a la hora de introducir nuevos productos o corregir defectos. Además, los modelos fabricados por impresión 3D tienen una resistencia mucho mayor que la cera, minimizando la posibilidad de roturas o defectos durante la manipulación.

Hoy en día, prácticamente todos los fabricantes de resinas tienen materiales calcinables de alta calidad como la resina calcinable de Formlabs o Uniz ZWax. Esto ha hecho que la impresión 3D SLA haya sustituido en gran medida el uso de cera en sectores como la joyería, donde el uso de impresoras como la Form 3 es común.

Imagen 3: Modelos de joyería impresos en 3D para fundición a la cera perdida. Fuente: Formlabs

A pesar de esto, en otros sectores como la industria, los modelos de cera siguen siendo comunes, quizás por la necesidad de modelos de gran tamaño. Hoy, la aparición de impresoras 3D SLA de gran volumen como la Form 3L o UniZ zSLTV, así como el desarrollo de filamentos calcinables como PolyCast, hacen que la limitación de tamaño sea cada vez menor y que los sectores industriales puedan beneficiarse de las ventajas de sustituir modelos 3D por modelos de cera.

Video 2: Uso de filamento Polycast. Fuente: Polymaker.

Sin embargo, la producción de modelos de cera también se rige por el gráfico de la Figura 1, llegando a un punto donde el coste de hacer modelos de cera usando un molde es más rentable que producir los modelos por impresión 3D. E incluso aquí, la impresión 3D tiene mucho que ofrecer. La baja temperatura de fusión de la cera permite que los moldes tradicionales de aluminio o acero puedan ser sustituidos por moldes impresos en 3D, con el importante ahorro en costes económicos y temporales que esto conlleva.

Imagen 4: Form 3L. Fuente: Formlabs

Moldeo por inyección

El moldeo por inyección es un proceso de fabricación formativo en el que se inyecta plástico fundido en un molde desmontable y se deja enfriar y solidificar en su interior.

Tradicionalmente, el uso de la impresión 3D en la fabricación de moldes de inyección se ha considerado inviable. Esto se ha debido a dos razones principales: la baja resistencia térmica de los polímeros usados en impresión 3D y la rugosidad superficial inherente a la impresión 3D SLS de metal.

Hoy la impresión 3D no puede reemplazar completamente los moldes mecanizados por CNC para inyección, sin embargo el desarrollo de materiales de impresión 3D SLA con alta resistencia térmica y mecánica ha abierto la puerta al uso de moldes impresos en 3D.

Un ejemplo es la resina High Temp de Formlabs, capaz de soportar temperaturas de casi 300 ºC bajo una presión de 0.45 MPa. Sus altas propiedades termo-mecánicas, junto con la alta resolución y excelente acabado superficial de la tecnología SLA, la convierten en un material ideal para la fabricación de moldes.

Imagen 5: Molde de inyección hecho por impresión 3D SLA. Fuente: 3Dhubs

Por esto la impresión 3D puede ser un excelente complemento en la producción de moldes de inyección. Por un lado permite la producción de moldes económicos para series cortas, y por otro ayuda a verificar el diseño de los moldes metálicos antes de mecanizarlos. Esto último es de gran importancia, ya que corregir un defecto en un molde mecanizado requiere procesos de rectificado e incluso el mecanizado completo de un nuevo molde, lo que conlleva un aumento significativo de costes y un retraso en la producción.

Moldes de silicona y termoformados

Los moldes de silicona y termoformados son moldes de una pieza muy usados en repostería, cocina, joyería o cosmética.

Se trata de moldes muy económicos y de fabricación muy sencilla. Son flexibles o semiflexibles para facilitar el desmoldeo, usados principalmente con materiales que no se funden o se funden a baja temperatura como chocolate, resinas, cementos, etc.

Imagen 6: Moldes de silicona. Fuente: wikipedia

Imagen 7: Molde termoformado. Fuente: Mayku

Son quizás el tipo de molde más común y que todos hemos usado en alguna ocasión, por ejemplo para hacer cubitos de hielo, bombones o magdalenas.

Sin embargo, su uso no se limita a la repostería doméstica, sino que se usan ampliamente en joyería para fabricar componentes de joyería en resina, o en arte y decoración para producir elementos en cemento y yeso.

A pesar de que su fabricación es muy sencilla, la única forma de hacer los moldes es tener un modelo original para usar como plantilla, y aquí es donde la impresión 3D se vuelve útil.

La impresión 3D aporta la capacidad de obtener modelos personalizados, rápida e inexpensivamente para usar como plantilla en la producción de moldes de silicona y termoformados. Esto, unido a la disponibilidad de equipos de termoformado económicos como la Mayku Formbox, hace posible que pequeñas pastelerías, joyerías y artesanos puedan producir sus propios moldes personalizados de forma sencilla e económica, dando valor añadido a sus productos.

Video 3: Termoformado con Mayku Formbox. Fuente: Mayku

La impresión 3D no solo es un recurso útil para reducir costes en bajos volúmenes de producción, sino que incluso en grandes producciones, donde el uso de moldes es esencial, la impresión 3D ha demostrado ser una tecnología muy útil que puede ayudar a su fabricación o en algunos casos incluso sustituirlos.