Moldes impresos en 3D para un moldeo por inyección eficiente de bajo plazo

Este artículo analiza el uso de la impresión 3D para imprimir moldes para moldeo por inyección de tiradas bajas. Se incluyen consideraciones de diseño, materiales, configuraciones de moldes y un estudio de caso comparativo.

Cómo diseñar un molde de inyección impreso en 3D

Materiales

Un material de impresión 3D es adecuado para crear moldes de inyección si tiene:

• Resistencia a altas temperaturas - Se requiere una temperatura de deflexión térmica alta para soportar las cargas mecánicas y térmicas aplicadas al molde durante la inyección del material. Sin embargo, tenga en cuenta que la temperatura disminuye rápidamente durante la solidificación.
• Alta rigidez/resistencia - La extracción repetida de piezas puede provocar desgaste en el molde, por lo que se requieren materiales con alta rigidez para mantener la precisión del molde a lo largo del tiempo.
• Alto nivel de detalle - Uno de los principales requisitos de un molde de inyección es una alta precisión dimensional y una superficie lisa. Los moldes de alta precisión producirán piezas de alta precisión.

Las tecnologías de impresión 3D que mejor cubren estos requisitos son SLA y Material Jetting. Estas tecnologías pueden producir piezas con alta precisión dimensional y son ideales para imprimir detalles intrincados y características muy finas. Los materiales especiales disponibles en estas tecnologías, como la resina de alta temperatura de Formlabs o el ABS digital de Stratasys, son ideales para aplicaciones de moldeo y herramientas. A continuación se muestra un resumen de las propiedades más relevantes para el moldeo por inyección de estos dos materiales.

Para aplicaciones industriales, el SLA de escritorio no es adecuado. Puede encontrar un artículo detallado que compara los dos materiales de impresión 3D industriales más utilizados para la fabricación de moldes (Digtal ABS y Somos PerFORM) aquí.

Propiedad Resina de alta temperatura de Formlabs Stratasys Digital ABS** Temperatura de deflexión del calor 289 ℃ @ 0,45 MPa 92 - 95 ℃ @ 0,45 MPa Módulo de flexión 3,3 GPa 1,7 - 2,2 GPa Resistencia al impacto (IZOD con muescas) 14 J/m 65 - 80 J/m Altura de capa más baja (resolución) 25 - 50 micras 16 - 30 micras Tamaño mínimo de detalle 0,2 mm 0,2 mm *Información obtenida de Formlabs**Información obtenida de Stratasys Un molde de inyección impreso en 3D hecho de Digital ABS

Diseño de moldes

Describir el diseño técnico específico de las características del molde (como compuertas, guías, salidas de aire, etc.) está fuera del alcance de este artículo. Una búsqueda en Internet revelará una gran cantidad de información sobre el tema. Esta publicación de Seattle Robotics es un buen punto de partida para quienes son nuevos en el diseño de moldes de inyección.

A continuación se incluye una lista de algunas buenas prácticas que se deben seguir al diseñar un molde impreso en 3D:

• Al diseñar el molde para impresión SLA, asegúrese de que las caras internas del molde estén orientadas de modo que ningún soporte entre en contacto con ellas. Esto mejorará la calidad de su superficie, ya que no se presentarán marcas de soporte en estas superficies, lo que minimizará el posprocesamiento requerido.
• Incluir salidas de aire poco profundas (0,05 mm de profundidad) desde el borde de la cavidad hasta el borde del molde ayudará a expulsar el aire atrapado durante el proceso de moldeo.
• Si el molde impreso en 3D se va a utilizar durante más de 20 tiradas, considere incluir canales en el diseño para incrustar varillas o tubos de metal. Estos pueden ayudar a reforzar el molde, reducir la deformación y mejorar los tiempos de enfriamiento.
• Imprimir el molde en 3D a una altura de capa más baja puede ayudar a producir piezas moldeadas más suaves, ya que los moldes tendrán líneas de impresión menos visibles.
• Los detalles en relieve y grabados deben estar separados de la superficie al menos 1 mm.

Las restricciones específicas sobre el diseño dependerán de la máquina de moldeo por inyección que se utilice. Sin embargo, Stratasys sugiere que los moldes fabricados mediante sus impresoras Material Jetting se utilicen para producir piezas con un volumen máximo de 165 cm3 en máquinas de moldeo de 50 a 80 toneladas o prensas manuales.

Diseño de piezas para moldeo por inyección

Al igual que con los moldes de inyección convencionales, un diseñador debería considerar:

• Agregar un ángulo de desmoldeo de mínimo 2o grados para ayudar en la extracción de la pieza del molde.
• Mantener un espesor de pared uniforme en toda la pieza.
• Mantener todas las paredes y elementos lo más delgados posible.
• Incluyendo radios en todos los bordes y esquinas.
• Incluir nervaduras y refuerzos delgados para agregar resistencia a una pieza en lugar de aumentar el espesor de la pared.

Diseño de ángulo de salida para moldeo por inyección.

Obtenga más información sobre la importancia de los ángulos de salida en este artículo →

Reducción de destello

Flash es el nombre que se le da al material que sale entre las dos mitades del molde durante el proceso de inyección. Esto generalmente ocurre cuando las dos mitades del molde no encajan perfectamente, no están perfectamente niveladas y planas o el molde está demasiado lleno. Se utilizan canales en el diseño del molde para ayudar a reducir la probabilidad de que se produzcan rebabas.

Si diseña para un marco de aluminio, agregue 0,125 mm de espesor adicional a la parte posterior de las placas del molde para tener en cuenta las fuerzas de compresión y garantizar un sellado completo. Aumentar la fuerza de sujeción en el tornillo de banco también puede ayudar a mitigar la rebaba, al igual que pulir el plano dividido de los moldes para darle una superficie lo más plana posible.

Un buen diseño del molde y una cara del molde plana reducen la probabilidad de que se produzca rebaba.

(imagen cortesía de Formlabs)

Compuesto de liberación

Debido a la naturaleza relativamente frágil de los materiales utilizados en los moldes de inyección impresos en 3D en comparación con los moldes tradicionales, aplicar una fuerza excesiva para retirar una pieza del molde puede provocar un rápido deterioro del molde. Incluir un compuesto desmoldante en las superficies de la cavidad del molde antes de la etapa de inyección puede ser de gran ayuda a la hora de retirar la pieza.

Estudio de caso:un racor de motor de plástico

Este estudio de caso comparará la fabricación de un accesorio de plástico personalizado para la carcasa de un motor. Los requisitos del diseño son:

• El número total de piezas es 25.
• Se necesita un alto nivel de precisión dimensional para garantizar un ajuste perfecto.
• El peso de la pieza es de 0,005 kg (5 gramos).
• La pieza debe estar hecha de ABS.
• La pieza debe ser de color negro.
• El diámetro total de la pieza es de 40 mm.

Estas son las opciones de fabricación alternativas disponibles:

Impresión 3D industrial FDM ABS: La impresión industrial FDM 3D tiene una alta repetibilidad y puede producir piezas con alta precisión dimensional y es capaz de imprimir piezas en lotes pequeños y medianos. El coste del filamento ABS utilizado en los sistemas FDM industriales suele oscilar entre 90 y 110 dólares por kg. La principal restricción para cualquier pieza producida mediante impresión 3D FDM es su rendimiento mecánico anisotrópico:las piezas son significativamente más débiles en una dirección. Esto significa que un diseñador debe tener una buena comprensión de las cargas a las que estará sometida la pieza y la orientación del modelo en la plataforma de impresión.

Piezas de ABS por moldeo por inyección con moldes impresos en 3D SLA: Las resinas SLA de alta temperatura pueden producir moldes de inyección funcionales con un alto nivel de precisión que son más adecuados para tiradas de producción de bajo nivel. Las resinas SLA se venden al por menor entre 150 y 170 dólares por litro. Para los cálculos de este ejemplo se utilizó una máquina de moldeo por inyección de mesa con los moldes impresos en 3D insertados en marcos de soporte de aluminio. Se utilizan bolitas de ABS para moldear la pieza que cuestan aproximadamente entre 2 y 3 dólares

Pieza de ABS tradicional moldeada por inyección: Las piezas tradicionales moldeadas por inyección tienen un nivel muy alto de precisión, un acabado superficial excelente y un nivel muy alto de repetibilidad. Las principales desventajas del moldeo por inyección tradicional son el alto costo de instalación inicial y la cantidad de restricciones de diseño impuestas en el diseño de la pieza moldeada (ángulos de salida, espesor de pared constante, etc.). El costo de los pellets de ABS es el mismo que el anterior.

En la siguiente tabla se resume un resumen del costo (basado en cotizaciones en línea) de fabricar el accesorio ABS utilizando las tecnologías analizadas anteriormente. Todos los precios no incluyen el envío.

FDM industrial MI 3DP** Mensaje instantáneo tradicional*** Costo del molde N/A $70.85 $1660.72 Costo por pieza $3,69 $0,05 $1,89 Costo total $92.25 $72.10 $1711.48 Plazo de entrega 4 días 2 días 8 días * Cita procedente de Protolabs Network.com con ABS, 20 % de relleno impreso en un Fortus 250MC** Cita procedente de Protolabs Network.com con resina Formlabs High Temp impresa en una impresora Form2*** Cita procedente de Protolabs

Próximos pasos:Cómo producir piezas con moldeo por inyección

¿Es el moldeo por inyección de tiradas bajas con moldes impresos en 3D la mejor solución para su aplicación? Entonces hay dos maneras de avanzar con tu proyecto:

Si tiene acceso a una máquina de moldeo por inyección y los conocimientos para diseñar el molde, entonces imprima el molde en 3D. en un material resistente al calor es una opción. Aquí puede encontrar un artículo que analiza las ventajas y desventajas de los dos materiales de impresión 3D más utilizados para la fabricación de moldes de inyección de baja tirada.

De lo contrario, puedes subcontratar la producción a un profesional. fabricante de moldeo por inyección. Protolabs Network ofrece acceso a una red global de proveedores de servicios de moldeo por inyección, que pueden diseñar un molde para su pieza y producir volúmenes de 100 a más de 10 000 unidades.

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