Moldes de inyección impresos en 3D:una descripción completa del diseño, los beneficios y las aplicaciones

Los moldes impresos en 3D para moldeo por inyección son cada vez más populares en la industria manufacturera. Es una gran incorporación a la cartera de procesos de moldeo por inyección y ofrece una alternativa competitiva a los materiales tradicionales para moldes de inyección.

En este artículo, profundizaremos en qué es un molde de inyección impreso en 3D y sus tipos, beneficios y limitaciones. Al final, también compartimos algunos consejos y trucos útiles para ingenieros y diseñadores de moldes. ¡Empecemos!

¿Qué es un molde de inyección?

Podría decirse que los moldes de inyección son el componente más importante en las configuraciones de moldeo por inyección. El molde es un conjunto de varias piezas con una cavidad en su interior que es una réplica exacta de la geometría final del producto.

Un sistema de inyección bombea materia prima fundida hacia esta cavidad, donde se enfría para tomar su forma final. Posteriormente, un mecanismo de inyección, que también se encuentra dentro del molde, expulsa la pieza final. Por lo tanto, el molde de inyección tiene el propósito principal de darle forma a la pieza y también de expulsarla.

Son numerosas las propiedades que debe poseer un molde de inyección de alta calidad. Debe tener buena estabilidad térmica para minimizar la expansión térmica, alta resistencia para soportar las presiones de sujeción y buena resistencia al desgaste para mayor durabilidad.

Molde de impresión 3D frente a molde de aluminio

Convencionalmente, el aluminio ha sido el material estándar elegido para la fabricación de moldes de inyección de producción de volumen bajo a medio. Sin embargo, los moldes impresos en 3D para moldeo por inyección están ganando terreno rápidamente debido a numerosos beneficios, como el ahorro de costos y la flexibilidad del diseño.

La principal diferencia entre un molde impreso en 3D y un molde de aluminio es cómo se fabrican. El principal proceso de fabricación de moldes de aluminio es el mecanizado CNC. Los moldes impresos en 3D, por otro lado, se fabrican, por supuesto, a partir de impresión 3D.

Puede parecer una diferencia trivial pero, de hecho, es bastante significativa y requiere un debate sobre el molde de impresión 3D versus el molde de aluminio.

Sin embargo, primero, repasemos los dos tipos principales de moldes de inyección impresos en 3D.

Molde reforzado con estructura metálica

Este tipo de molde de inyección toma prestados elementos tanto de moldes de aluminio como de moldes impresos en 3D. La estructura interna básica, incluida la cavidad y los canales, está impresa en 3D. Luego, esta impresión 3D se coloca dentro de una estructura de aluminio para una mayor estabilidad y durabilidad.

El refuerzo del marco de aluminio permite presiones de moldeo más altas y prolonga la vida útil del molde. Los ingenieros también pueden reemplazar fácilmente los componentes del molde impresos en 3D en caso de cambios de diseño o desgaste.

Moldes independientes

Los moldes independientes se fabrican íntegramente mediante impresión 3D. A medida que la impresión 3D se vuelve más robusta muy rápidamente, el molde de impresión 3D independiente está ganando popularidad en la industria del moldeo por inyección.

Una ventaja importante de los moldes independientes es que los ingenieros obtienen flexibilidad de diseño adicional para características como canales de inyección, compuertas, etc.

Beneficios de los moldes de inyección impresos en 3D

Los moldes impresos en 3D para moldeo por inyección disfrutan de numerosas ventajas sobre sus homólogos metálicos. Destacaremos algunas de las principales ventajas de utilizar un molde impreso en 3D.

Rentable

No es ningún secreto que la gestión de costes es una parte importante de la fabricación eficiente. Un molde impreso en 3D es significativamente más barato que los moldes de metal.

Las máquinas herramienta CNC suelen ser caras y requieren un mantenimiento costoso. Las impresoras 3D, por otro lado, son máquinas más baratas y fáciles de mantener. El coste de las materias primas de la impresión 3D también es menor que el de los metales moldeados por inyección.

Los costos laborales también difieren para ambos métodos. Las máquinas CNC son equipos complejos y requieren un maquinista calificado para operarlas. Las impresoras 3D, aunque no son un paseo por el parque, son aún más accesibles para un grupo más amplio de técnicos.

Ahorro de tiempo

Otro aspecto importante de la alta productividad manufacturera es la gestión del tiempo. Una de las principales ventajas de utilizar un molde impreso en 3D frente a un molde de aluminio es el notable ahorro de tiempo durante el proceso de fabricación del molde.

El mecanizado CNC es un proceso que requiere mucho tiempo y que a veces tarda hasta una semana en fabricar por completo un complicado molde de inyección. El proceso de impresión 3D es mucho más rápido y tiene menos pasos que el mecanizado. El tiempo medio de fabricación de moldes es del orden de unas pocas horas, lo que da a los moldes impresos en 3D una ventaja obvia.

Flexibilidad de diseño

La impresión 3D es conocida por su rápida capacidad de creación de prototipos. Es rápido, económico y permite a los ingenieros probar varias iteraciones de diseño.

La misma lógica se aplica a los moldes de impresión 3D para moldeo por inyección. Los diseñadores de moldes pueden erradicar rápidamente cualquier error o problema en el diseño del molde. Además, también es muy conveniente incorporar mejoras del producto en la línea de fabricación; todo lo que se necesita es una simple reimpresión.

Este tipo de libertad de diseño no es asequible con el mecanizado CNC, donde incluso una sola producción supone un gran presupuesto.

Adecuado para moldeo por inyección de bajo volumen

Los moldes impresos en 3D se adaptan bien a iniciativas de producción de bajo volumen. Como veremos en breve, aunque poseen propiedades mecánicas notables, tienden a desgastarse más rápidamente que sus homólogos metálicos con el tiempo.

Esto los hace ideales para series de producción en las que se fabrica una cantidad pequeña o mediana de piezas. En tales configuraciones, invertir en un costoso molde de metal es ineficiente ya que el molde permanece infrautilizado al final de la producción.

Además, la producción de bajo volumen, en promedio, tiene más que ver con el desarrollo y las pruebas de productos. El diseño puede cambiar a mitad de la producción si se requiere una actualización o se encuentra un error. En este escenario, un molde de impresión 3D es ideal ya que la actualización es rentable y ahorra tiempo.

Limitaciones de los moldes de inyección impresos en 3D

Los pros y los contras van de la mano. Por lo tanto, esta discusión quedará incompleta si ignoramos los inconvenientes de un molde de inyección para impresión 3D.

Baja integridad estructural

La impresión 3D está progresando muy rápido, pero todavía está por detrás de los procesos de fabricación convencionales, como el mecanizado CNC, en algunos aspectos. Tiene varios problemas de calidad inherentes, como porosidad y falta de unión, que disminuyen la integridad estructural de los moldes impresos en 3D para moldeo por inyección.

Generalmente, un molde impreso en 3D tiene menor resistencia, dureza y resistencia al desgaste (de ahí la necesidad de refuerzos de aluminio). Suelen fallar bajo temperaturas y presiones extremas, que a veces son necesarias para lograr productos de moldeo por inyección de alta calidad.

Como resultado, en algunos casos, los moldes impresos en 3D no son un sustituto adecuado de los moldes de aluminio fundido/forjado.

Desgaste de la superficie

Los moldes impresos en 3D para moldeo por inyección no son tan resistentes al desgaste como los moldes de metal. La calidad de su superficie se deteriora más rápidamente que la del aluminio bajo las altas temperaturas y presiones del moldeo por inyección. Esto también se traslada a la superficie del producto.

Además de esto, la impresión de moldes 3D es un proceso de fabricación capa por capa. Debido a esto, los moldes de inyección impresos en 3D tienen un patrón de superficie ondulado (también conocido como efecto de escalera) que aumenta la rugosidad de la superficie de las piezas de moldeo por inyección.

Una solución común es utilizar métodos de acabado de superficies como limado, esmerilado o tratamiento químico para mejorar la calidad de la superficie del molde. Sin embargo, es un desafío realizar estas operaciones en un molde pequeño con geometría compleja, como suele ser el caso con los moldes impresos en 3D.

Ciclo de producción largo

El tiempo de enfriamiento constituye una gran parte del ciclo de producción de moldeo por inyección. Dado que los metales generalmente tienen una conductividad térmica más alta que los materiales plásticos utilizados para los moldes impresos en 3D, la materia prima fundida tarda más en solidificarse dentro de un molde impreso en 3D que en un molde de aluminio.

Debido a esto, recomendamos a los ingenieros de moldes que calculen el tiempo de enfriamiento esperado para sus diseños de moldes de inyección antes de decidir el proceso de fabricación.

Contracción y deformación

La contracción y la deformación son dos defectos comunes de la impresión 3D que afectan la calidad de un molde de inyección impreso en 3D. Los plásticos son muy sensibles al calor y propensos a deformarse (deformarse) durante el moldeo por inyección.

A medida que el propio molde se deforma, la forma de su cavidad cambia, afectando las dimensiones finales de la pieza.

En la mayoría de los casos, los diseñadores de moldes pueden mitigar este problema incorporando márgenes de contracción adecuados en sus moldes. Sin embargo, en el caso de los moldes impresos en 3D, estos márgenes son difíciles de predecir debido al comportamiento no uniforme de las estructuras impresas en 3D.

Consejos y trucos para moldes de inyección impresos en 3D

Esperamos que la información anterior sobre moldes de inyección impresos en 3D para moldeo por inyección haya contribuido a sus conocimientos sobre el tema.

En esta sección, compartiremos algunos consejos y trucos útiles de nuestros expertos en diseño que le ayudarán a mejorar sus habilidades de diseño de moldes.

Mejorar la conductividad térmica con materiales compuestos

La alta conductividad térmica mejora el tiempo de enfriamiento en el moldeo por inyección. En el mercado se encuentran disponibles varios aditivos que mejoran la conductividad, como grafeno, nitruro de boro, cargas metálicas (polvo de cobre, escamas de aluminio), etc.

Recubrimiento de superficies

La escasa resistencia al desgaste es un gran inconveniente de los moldes de impresión 3D. Los revestimientos superficiales adecuados, como metal o cerámica, son muy útiles para mejorar las propiedades de la superficie de los moldes de inyección impresos en 3D.

Evite estructuras de soporte en caras internas críticas

La mayoría de las técnicas de impresión 3D utilizan estructuras de soporte para sostener la pieza durante la impresión. Dejan una marca en la pieza después de que el técnico de acabado las retira. Tenga cuidado de no tener ninguna de estas estructuras de soporte en las caras que forman la cavidad del molde ya que sus marcas sobrantes aparecerán también en la pieza.

Reduzca el grosor de la capa y la velocidad de impresión para obtener un mejor acabado superficial

El acabado superficial de un molde impreso en 3D depende del espesor de la capa y de los parámetros de velocidad de impresión de la impresora 3D. Mantenga estos ajustes bajos para obtener un acabado de superficie de impresión 3D más fino.

Los ángulos de salida son ligeramente más altos que los moldes de aluminio

Las estructuras impresas en 3D requieren ángulos de inclinación más altos en el molde debido a las diferentes propiedades de los materiales. Los expertos sugieren incluir un ángulo de desmoldeo promedio de 3° para las caras verticales del molde de inyección.

La ventilación es clave

Las bolsas de aire tienden a desarrollarse dentro de las cavidades del molde y disminuyen la calidad de la superficie. Es bueno tener salidas de aire poco profundas ligeramente por debajo de la superficie de la cavidad para evitar este problema.

Métodos y materiales de impresión 3D para fabricar moldes

En esta última sección, presentamos brevemente algunas técnicas de impresión 3D y materiales adecuados para moldes de impresión 3D.

Métodos comunes de impresión 3D

• Estereolitografía (SLA)
• Modelado por deposición fundida (FDM)
• Jet de material
• Sinterización selectiva por láser (SLS)

Materiales comunes de impresión 3D

• ABS (acrilonitrilo butadieno estireno)
• PETG (tereftalato de polietileno)
• PP (Polipropileno)
• Nailon
• Elastómeros termoplásticos (TPE)

Conclusión

Con esto concluye nuestra discusión sobre el interesante tema de los moldes impresos en 3D para moldeo por inyección. Los moldes impresos en 3D son una alternativa emergente a los moldes de aluminio que ofrecen beneficios como ahorro de tiempo y costos, y flexibilidad de diseño, y son excelentes para la producción de bajo volumen.

Algunas de sus desventajas incluyen una baja integridad estructural y resistencia al desgaste en comparación con los moldes metálicos, pero existen soluciones especializadas para erradicar estos problemas.

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Preguntas frecuentes

¿Qué tan caros son los moldes impresos en 3D frente a los moldes de metal?

Los moldes de impresión 3D son relativamente económicos en comparación con los moldes de metal. Normalmente, un molde de impresión 3D cuesta menos de 200 dólares. Un molde metálico cuesta fácilmente más de 5.000 dólares. Para una configuración de bajo volumen, los moldes impresos en 3D son una opción clara.

¿Qué impresión 3D común es mejor para moldes de inyección?

Comparando solo FDM, SLS y SLA, sugerimos utilizar SLA para producir moldes de inyección. Los productos SLA son robustos, suaves y precisos. Los moldes FDM enfrentan problemas de desmoldeo y no son tan suaves como los moldes SLA. Habitualmente se informan problemas similares con los productos SLS.

¿Cómo mejorar el tiempo de enfriamiento de un molde de inyección impreso en 3D?

Los moldes impresos en 3D no se enfrían tan rápido como los moldes de metal debido a su baja conductividad térmica. Un buen consejo es utilizar aire comprimido para aumentar la transferencia de calor por convección o puede utilizar pilas intercambiables.