Dominando las tolerancias en moldeo por inyección: 4 estrategias probadas para precisión y ahorro de costos

El moldeo por inyección es el proceso de fabricación más común para fabricar productos plásticos compuestos de múltiples piezas que deben ensamblarse en la etapa final de producción. El ensamblaje de piezas implica la alineación y unión adecuada de diferentes piezas. Aquí, la tolerancia es muy importante, y si no se especifica y controla correctamente, el ensamblaje fallará.

Los errores relacionados con la tolerancia siempre son problemáticos debido al costo de un molde de inyección. Por tanto, hay necesidad de saber cómo controlar las tolerancias del moldeo por inyección. Este artículo presentará cómo puedes controlar las tolerancias del moldeo plástico usando diseño para fabricación (DfM), selección de materiales, diseño de herramientas y control de proceso.

¿Por qué son importantes las tolerancias para piezas moldeadas por inyección?

El grado de variaciones en cualquier proceso de prototipado rápido depende de su precisión, y aunque el moldeo por inyección es bastante preciso, aún existe una ligera variación. Esta variación hace importante determinar el rango permisible de desviación para el funcionamiento efectivo de las piezas después del ensamblaje.

Las tolerancias del moldeo plástico son críticas en el ensamblaje de productos que tienen múltiples piezas moldeadas por inyección. Por ejemplo, si quieres unir dos piezas plásticas moldeadas usando un tornillo, necesitas taladrar un agujero en ambas piezas. Cualquier error en la ubicación y tamaño de los agujeros puede resultar en errores durante el ensamblaje y pérdida de función. Por tanto, hay necesidad de tolerancias de ubicación en ambas piezas para máxima función.

En términos simples, controlar y optimizar las tolerancias del moldeo por inyección es una forma de asumir el "peor escenario". Implica determinar el rango permisible de desviación que ayuda al funcionamiento máximo de los productos.

Cómo optimizar las tolerancias del moldeo por inyección

Para optimizar las tolerancias del moldeo por inyección, puedes optimizar el diseño del producto usando Diseño para Fabricación, usando los materiales de inyección correctos, ajustando el diseño del molde de inyección y controles de proceso. Esta sección presentará cada categoría para que puedas lograr una tolerancia realista de moldeo por inyección de plástico.

Durante la fase de diseño

Los fabricantes que usan moldeo por inyección encuentran problemas como deformación, encogimiento excesivo de piezas y desalineación de piezas durante el proceso, que afectan la tolerancia de las piezas moldeadas por inyección. Para contrarrestar esto, los diseñadores aseguran que cada diseño de producto se adhiera al Diseño para Fabricación (DfM) ya que puede limitar la ocurrencia de tales problemas.

Puedes obtener acceso a un buen DfM involucrando un buen servicio de prototipado rápido con amplia experiencia en moldeo por inyección (como RapidDirect) temprano en el proceso de diseño. A continuación se muestran cuatro factores que debes considerar en términos de diseño de pieza.

· Tamaño total

Cuanto mayor sea el tamaño total de los productos o piezas que quieres fabricar, mayor será la importancia de la tolerancia. En moldeo por inyección de plástico, un aumento en el tamaño de un producto probablemente distorsionará el producto, puede llevar a deformación o encogimiento. Por tanto, para reducir esto, considerar el tamaño es importante.

· Espesor de pared

El encogimiento es la contracción de la pieza plástica durante la fase de enfriamiento. Es un proceso integral de moldeo por inyección controlado por factores como el espesor de pared de la pieza, temperatura, etc.

Tener un espesor de pared uniforme llevará a una tasa de encogimiento estable que reduce defectos cosméticos como deformación, hundimiento, agrietamiento y torsión. Puedes tener un espesor de pared uniforme haciendo lo siguiente:

• Evita geometrías de piezas como esquinas internas agudas, tramos largos sin soporte y bosses mal diseñados
• Usa nervios para reforzar paredes si es esencial
• Coloca radios en esquinas internas alivia deformación
• Usa los materiales adecuados con el espesor de pared en mente

También debes evitar usar paredes gruesas ya que esto reduce la tasa de enfriamiento. Consecuentemente, aumentará la tasa de encogimiento y, por consiguiente, la deformación.

· Ángulos de desmoldeo

Los ángulos de desmoldeo son una parte importante del diseño de moldeo por inyección ya que facilitan la fácil remoción de una pieza de un molde de inyección. La facilidad de remoción puede reducir el daño por fricción, minimizar el desgaste y asegurar un acabado suave.

No incorporar ángulo de desmoldeo en tu moldeo por inyección puede resultar en encogimiento y piezas atascadas durante la expulsión (materiales plásticos como nailon aún producirán un trabajo perfecto a 0°). El ángulo de desmoldeo se mide en grados/pulgada/milímetro, pero no hay una regla estándar de tolerancias de moldeo por inyección al incorporar uno en el diseño de producto. Sin embargo, tenemos algunas reglas prácticas que podrías seguir.

• Un ángulo de desmoldeo de 1° a 2° es adecuado para la mayoría de piezas.
• Añade 1° por pulgada de profundidad.
• Usa 3° para textura ligera y >5° para textura pesada
• Usa 0.5° en todas las superficies verticales.

· Bosses

Los bosses son una parte crítica del diseño de producto usados para fijar componentes durante el ensamblaje de piezas. Diseñar un boss viene con algunas consideraciones importantes. Una es que la pared del boss no debe ser gruesa. Incorporar un boss grueso en tu diseño llevará a lo siguiente:

• Creación de vacíos y marcas de hundimiento
• Expansión del tiempo de ciclo
• Rajadura del plástico al fijar

También, debes hacer bosses huecos (es decir, unirlos a la pared lateral más cercana). Hacer esto llevará a distribución adicional de carga para la pieza, y mejora de la rigidez de la pieza y flujo de material.

Seleccionar el material adecuado para tolerancias de inyección ajustadas

Tu elección de material juega un papel enorme en la tolerancia del moldeo por inyección basado en tener encogimiento uniforme (es decir, la contracción de un material de moldeo por inyección durante la fase de enfriamiento debido al cambio de densidad). El encogimiento depende de factores como espesor de pared, temperatura, piezas y tipo de material. En términos de selección de material, debes usar los siguientes factores para ayudar tu elección:

• Composición del plástico: Los plásticos amorfos, ej. ABS, tienen menor encogimiento que plásticos semicristalinos ej. polietileno, debido a su estructura menos compacta.
• Peso molecular: Las resinas de alto peso molecular tendrán alta viscosidad y una alta caída de presión que aumenta la tasa de encogimiento.
• Aditivos: La adición de cargas con baja expansión térmica reducirá la tasa de encogimiento.

Diferentes resinas tienen diferentes tasas de encogimiento. Por tanto, debes factorizar esto en la selección de material y diseño de molde de inyección para reducir defectos cosméticos como deformación, hundimiento, agrietamiento y torsión, que afectan la tolerancia de las piezas moldeadas por inyección.

Mantener las herramientas de molde en mente

Al seleccionar los materiales ideales, los diseñadores de molde ofrecen sobredimensionar el molde para tener en cuenta el encogimiento del material. Diferentes materiales tienen diferentes tasas de encogimiento debido a espesores desiguales. Para reducir esto, debes tomar nota de lo siguiente al diseñar el molde.

· Enfriamiento de herramienta

El enfriamiento es un paso crucial en el moldeo por inyección, que determina la calidad del producto terminado. Implica el enfriamiento uniforme del polímero plástico calentado antes de su expulsión.

El enfriamiento debe ser uniforme, ya que el enfriamiento no uniforme lleva a encogimiento, marcas de hundimiento, jetting, deformación, etc., que afectan la apariencia, tolerancia y funcionamiento del producto final.

Para lograr enfriamiento uniforme, los diseñadores de molde de inyección deben colocar canales de enfriamiento en el molde en puntos estratégicos y efectivos. También, podría haber necesidad de monitorear los siguientes parámetros:

• Presión de inyección
• Viscosidad de la resina
• Tiempo de llenado

· Tolerancia de herramienta

Un molde de inyección se fabrica comúnmente usando mecanizado CNC, lo que hace posible lograr una tolerancia ajustada que mantiene la precisión a lo largo del ciclo de calentamiento y enfriamiento del proceso.

La tolerancia asegurará que las piezas se enfríen correctamente sin reducir la precisión. Aunque no es común debido al uso de mecanizado CNC, no controlar la tolerancia al fabricar un molde puede resultar en defectos severos como deformación, encogimiento, hundimiento, etc.

· Ubicación de pines expulsores

Un pin expulsor es una característica en un molde de inyección que empuja el producto final del molde. El pin viene en diferentes formas (las formas planas son las mejores), a través de las cuales aplica cierta cantidad de fuerza para empujar el producto fuera. Consecuentemente, cuando está en el lugar equivocado, puede causar indentaciones no deseadas en el producto terminado. Además, en materiales no rígidos o materiales con enfriamiento no uniforme, un pin expulsor puede romper el producto sin terminar llevando a varios defectos cosméticos y aberración física.

· Ubicación de la entrada (gate)

La entrada es la parte del molde a través de la cual los materiales de moldeo por inyección entran al molde. Al decidir la ubicación de la entrada, debes considerar lo siguiente:

• Coloca la entrada en la sección transversal más profunda: Esto minimizará hundimiento y vacíos. También mejorará el flujo de plástico.
• Coloca la entrada en áreas de paredes gruesas para empaquetado completo.
• No coloques la entrada junto a obstrucciones como pines y núcleos.
• No permitas que la ubicación de la entrada afecte la distorsión del canal y la estética del usuario.

La entrada debe estar ubicada en el lugar correcto ya que colocarla en el lugar equivocado puede llevar a lo siguiente:

• Tasa de llenado desigual: Esto llevará a deformación y encogimiento
• Acabados cosméticos pobres.

Ejecutar controles de proceso repetibles

Los controles de proceso son formas por las cuales los fabricantes calibran variables que pueden afectar la calidad de la pieza. Estas variables son parte integral de cada proceso de fabricación, y su calibración ayuda a reducir la desviación. Variables comunes son temperatura, presión y tiempo de mantenimiento. Algunas formas de lograr esto incluyen:

• Puedes incrustar sensores de temperatura y presión en el molde para medir el ambiente del molde y proporcionar retroalimentación en tiempo real y controles de proceso repetibles.
• Las resinas tienen un alto coeficiente de expansión térmica que puede llevar a alteración en el tamaño debido a un cambio de temperatura. Por tanto, al trabajar con piezas a temperatura consistente.

Tolerancias de moldeo por inyección de plástico alcanzables

Para lograr tolerancias reales de moldeo por inyección, hay algunas tolerancias de moldeo por inyección de plástico alcanzables que puedes introducir en tu diseño de molde plástico. A continuación se muestran las comunes para los principales plásticos usados en moldeo por inyección de plástico:

· Tolerancias dimensionales +/- mm

Mantener el grado de precisión puede ser muy desafiante. Por tanto, los diseñadores usan el signo (+/-) para mostrar un rango en la medición. Cada material tiene un rango de tolerancia diferente a medida que aumentan las dimensiones. La tabla anterior muestra la tolerancia dimensional de los principales plásticos usados en moldeo por inyección.

· Tolerancias de rectitud / planicidad

La deformación ocurre debido a diferentes tasas de encogimiento del molde en la dirección del flujo del molde y a través del flujo. Puede ocurrir debido a diferentes espesores de pared, que tienen diferentes tasas de encogimiento. Ajustar el diseño del molde, mejor posición de la entrada y control de proceso pueden minimizar la deformación. Sin embargo, podrías necesitar tener una tolerancia práctica en términos de plásticos ya que la deformación es difícil de alcanzar al 100%.

· Tolerancias de diámetro de agujero +/- mm

Cuanto mayor sea el tamaño del agujero, más la necesidad de considerar tolerancia. El gráfico anterior muestra explícitamente la tolerancia para diferentes tamaños de diámetro de agujero.

· Tolerancias de profundidad de agujeros ciegos +/- mm

Los agujeros ciegos son agujeros taladrados en una pieza de trabajo usando un núcleo de inserción sin romperlo. Están fijos y sujetos en un extremo, lo que aumenta su tendencia a sufrir deformación bajo una fuerte fuerza de flujo de molde. El gráfico anterior muestra las diferentes tolerancias que puedes usar.

· Tolerancias de concéntrico/ovalidad +/- mm

Esto implica determinar el espesor de pared (la diferencia entre el diámetro exterior e interior). El gráfico anterior muestra las diferentes tolerancias y cambio de costo respecto a lograr esta tolerancia.

Conclusión

Siempre hay un grado de variaciones en el moldeo por inyección que hace importante tener un rango permisible de desviación para el funcionamiento efectivo de las piezas después del ensamblaje. Como resultado, las tolerancias del moldeo por inyección son críticas en el ensamblaje de productos que tienen múltiples piezas moldeadas por inyección.

Al controlar y optimizar las tolerancias del moldeo por inyección, es posible determinar el rango permisible de desviación que ayuda al funcionamiento máximo de los productos. Formas comunes de lograr esto dependen altamente de DfM, selección de material y control de proceso, y este artículo te ayuda a simplificar las comunes que serán muy útiles en tu proyecto.

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Preguntas frecuentes

¿Cuáles son las tolerancias típicas para piezas moldeadas por inyección?

Los moldes de inyección se fabrican usando mecanizado CNC, que tiene alta precisión y exactitud. Típicamente, es posible lograr una tolerancia de +/- 0.005 pulgadas. También es posible lograr tolerancias más restrictivas usando el método. Sin embargo, esto depende de la máquina y experiencia del equipo.

¿Cuáles son los efectos de especificar una tolerancia más ajustada?

Usar una tolerancia ajustada en moldeo por inyección llevará a un aumento en el costo de fabricación. También hace más difícil fabricar y ensamblar múltiples piezas al producto final. Por tanto, también hay un aumento en el costo laboral y alto desperdicio de materiales.

¿Qué tan preciso es el moldeo por inyección?

El moldeo por inyección es muy preciso, lo que lo hace adecuado para fabricar muchos tipos de materiales. Aunque tiene algunas restricciones de diseño, el molde es preciso y típicamente dentro de 0.005 pulgadas. Consecuentemente, es un método de producción muy confiable usado por muchos servicios de prototipado rápido.