De la Fabricación Aditiva al Moldeo por Inyección: Transición Fluida para el Éxito en Producción

La precisión y repetibilidad de la impresión 3D de grado industrial ha establecido la fabricación aditiva como un proceso eficaz y preciso para la creación de prototipos funcionales. Al mismo tiempo, el moldeo por inyección de plástico ha sido durante mucho tiempo una forma fiable, rentable y eficiente en tiempo para producir piezas para tiradas de producción más grandes, de decenas de miles en adelante.

Como resultado, ingenieros, diseñadores y desarrolladores de productos han descubierto que estos dos procesos funcionan bien juntos en el ciclo de vida de un producto, comenzando con la mitigación del riesgo de diseño mediante prototipos de impresión 3D y luego pasando al método de fabricación de moldeo por inyección para aumentar los volúmenes. Durante años, esta ha sido una combinación habitual para millones de diseños de piezas.

En Protolabs, abundan los ejemplos en varias industrias, incluyendo aeroespacial, defensa y tecnología médica.

Cabe mencionar que existen varios procesos de impresión 3D capaces de construir piezas de producción totalmente funcionales. El sinterizado láser directo de metal, por ejemplo, utiliza una gama de metales para fabricar piezas de uso final. El sinterizado láser selectivo, usando materiales basados en nailon, puede crear piezas finales altamente duraderas. Multi Jet Fusion también se usa para fabricar piezas finales de nailon.

Dicho esto, el cambio de prototipos impresos en 3D a piezas finales moldeadas por inyección sigue siendo una opción frecuente, principalmente porque el moldeo es una forma más rentable y eficiente en tiempo para producir piezas en mayores cantidades.

Al elegir esta opción, hay una serie de consideraciones de diseño únicas a tener en cuenta. Esta publicación ofrece consejos para navegar esa transición:

• Definir una pieza antes de diseñarla
• Usar múltiples prototipos
• Maniobrar a través del moldeo
• Elegir materiales
• Mitigar costos y plazos

Mitigación del Riesgo de Diseño: Definir una Pieza antes de Diseñarla

La creación de prototipos con impresión 3D o fabricación aditiva trata sobre la mitigación del riesgo de diseño: analizar cómo mejorar el diseño de una pieza; examinar qué riesgos potenciales podría haber para la forma, ajuste y función de una pieza; probar y validar una variedad de conceptos de diseño; y ser conscientes de no diseñarse a uno mismo en un callejón sin salida al no tener en cuenta la fabricabilidad de la pieza. De hecho, con la impresión 3D, hay pocas reglas o limitaciones que causen problemas al crear una pieza. Pero diseñar una pieza moldeable, bueno, esa es otra historia. La función afecta la forma para cualquier tipo de pieza, pero con las piezas de plástico en particular, también afecta el acabado e incluso el diseño del molde que las moldea.

Ahí es donde entra nuestra plataforma de cotización digital automatizada. Este análisis es especialmente crucial si se tiene en mente que la pieza será moldeada, o al menos producida en cantidades algo mayores más allá de la etapa de prototipado. Para piezas impresas en 3D, se obtiene una cotización instantánea con precios interactivos basados en material, resolución y acabado. Además, siempre se puede obtener retroalimentación de diseño de uno de nuestros ingenieros internos de fabricación aditiva. Para piezas moldeadas, se obtiene una cotización en línea interactiva en horas, más el análisis DFM, y precios en tiempo real basados en cantidad, acabado y plazo de entrega.

Pero volvamos a algunos ejemplos de mitigación de riesgos. En la industria automotriz, un diseño de pieza que encaja como componente del motor de un SUV probablemente necesitará sobrevivir a la exposición a altas temperaturas y humedad. Esto impulsará decisiones clave como qué material usar y qué método de producción elegir. Podría requerir el uso de sinterizado láser selectivo (SLS), un proceso de impresión 3D que puede producir piezas de producción funcionales, o tal vez requiera piezas moldeadas o mecanizadas. O digamos que una empresa de tecnología médica está prototipando una nueva herramienta quirúrgica portátil. En ese caso, un prototipo impreso en 3D sería una herramienta que funcionaría bien en un consultorio o clínica para demostraciones de ventas y pruebas de utilidad.

En esta etapa temprana, el mejor consejo es usar buenos principios de diseño sólidos para ayudar a definir una pieza antes de diseñarla. Lo que lleva a la siguiente sección: el papel de los prototipos iterativos o múltiples.

El Prototipado Múltiple Ayuda a Determinar un Método de Producción

Como se mencionó, hay pocas reglas o limitaciones al crear una pieza con fabricación aditiva. Eso es una bendición y una maldición. Es especialmente un desafío cuando los diseñadores quieren pasar de un diseño prototipado impreso a piezas moldeadas u otro método de producción. ¿Por qué? Bueno, en el caso del moldeo, "no le gustan" las secciones transversales gruesas, voladizos, flujos que rodean un núcleo y se unen, geometrías complejas, canales o cámaras internas, geometrías orgánicas, etc. En otras palabras, solo porque algo se pueda imprimir en 3D no significa necesariamente que se pueda moldear.

Como resultado, la cotización cruzada —cotizar a través o contra múltiples procesos— junto con el prototipado iterativo, puede ser un proceso de validación útil para un diseño de pieza. Hacer esto en paralelo ayudará a mostrar si la pieza será incluso funcional, y luego cómo podría convertirse exitosamente al siguiente paso, a un método que permita producción de mayor volumen, ya sea moldeo, fundición, mecanizado, fabricación de chapa metálica u otro proceso. Este prototipado múltiple probablemente también le ayudará a determinar consideraciones de precio y tiempo.

En el caso del moldeo por inyección, se encontrará con más restricciones sobre lo que se puede y no se puede moldear porque si el molde no se puede producir, la pieza no se puede producir. Para el moldeo por inyección, muchas técnicas y elementos de moldeo necesitarán ser usados o agregados (ver siguiente sección sobre Maniobrar a través del Moldeo).

Un ejemplo de la industria aeroespacial de este proceso de cotización múltiple ocurrió con el dron cuadricóptero de Lockheed Martin (ver recuadro lateral). El diseñador del proyecto, Miguel Pérez, ingeniero de Lockheed Martin, trabajó con el sistema de cotización automática con análisis DFM de Protolabs, que lo guió a través de varias iteraciones de piezas, y eventualmente lo llevó a cambiar de prototipado con impresión 3D a tanto prototipado como producción de bajo volumen con moldeo por inyección.

Él enviaría un modelo sin modificar al sistema de cotización y luego recibiría retroalimentación, por ejemplo, sobre cómo podrían funcionar las mitades del molde, tiradores laterales sugeridos, y destacados de características que no podían ser moldeadas. Pérez usaría esta información para convertir la pieza impresa en 3D en múltiples piezas moldeables de interfaz que preservaran la intención del diseño. Luego reenviaría las piezas modificadas y obtendría aún más retroalimentación del sistema de cotización sobre cómo podría hacerse el molde, mostrándole, por ejemplo, dónde podría haber pasado por alto el desmoldeo requerido en las direcciones apropiadas.

Un ejemplo de la industria médica es la prueba de verificación que la impresión 3D proporciona para una pieza como un conector Luer, que se rosca y encaja en el extremo de las jeringas. Hay ciertas formas de moldear esos conectores para ahorrar costos, pero los diseños pueden validarse primero con impresión 3D, asegurándose de que apriete lo suficiente para hacer un sello, por ejemplo, antes de considerar que funciona lo suficientemente bien como para pasarlo al moldeo.

En última instancia, dependiendo de la pieza que se esté diseñando, las pruebas y el uso de múltiples prototipos pueden ayudarle a verificar si algo funcionará y ganar más confianza en un prototipo antes de dar el salto al moldeo.

Maniobrar a través del Moldeo

Para hacer esa transición de prototipos impresos a piezas moldeadas, se deben considerar y, cuando sea apropiado, aplicar varios métodos de diseño de moldeo. Los dos principales son el espesor de pared uniforme y el desmoldeo, aunque hay varios otros. Aquí un breve resumen:

Espesor de Pared Uniforme. Mantener un espesor de pared uniforme es probablemente el requisito de diseño más importante para obtener buenas piezas moldeadas. Tener un espesor de pared uniforme permite que el plástico fundido llene el molde de manera uniforme, evitando crear una pieza con deformaciones, hundimientos, líneas de unión débiles u otros defectos.

Desmoldeo. Agregar desmoldeo o ángulo a las paredes verticales de una pieza facilita su expulsión o extracción del molde. La regla principal es aplicar 1 grado de desmoldeo por pulgada de profundidad de la cavidad del molde.

Radio. Use radios o esquinas redondeadas para mejorar el flujo del plástico en el molde y la integridad de la pieza. Las esquinas afiladas aumentan la tensión en su pieza y obstaculizan el flujo del plástico fundido (resina).

Nervios, refuerzos, rampas. Incluir nervios y refuerzos de apoyo puede aumentar la resistencia de las piezas estructurales y ayudar a eliminar deformaciones, hundimientos y vacíos. Los nervios deben ser del 40 al 60% del espesor de la pared adyacente. Las rampas en lugar de escalones bruscos pueden reducir la tensión en los cambios entre secciones de pared más gruesas y más delgadas.

Bosses (alojamientos). Diseñar una pared más delgada en un boss o característica de montaje que recibirá un tornillo eliminará hundimientos y vacíos.

Para más detalles sobre directrices de diseño para moldeo por inyección, incluyendo recomendaciones de tamaño de pieza y materiales, consulte nuestras directrices de diseño para moldeo por inyección de plástico, que incluyen dimensiones máximas, listas de plásticos comúnmente usados y acabados superficiales, coincidencia de color personalizada y opciones de acabado secundario; directrices de diseño para caucho de silicona líquido (LSR); y directrices para sobremoldeo e inserción de moldeo.

Consideraciones de Materiales para Moldeo por Inyección

Las dos amplias categorías de materiales plásticos son termoplásticos y termoestables (LSR por ejemplo). La elección de un material se basa en una variedad de consideraciones. Las propiedades mecánicas, físicas, térmicas y eléctricas del material son importantes. La fabricabilidad es esencial, como las características de las resinas (materiales plásticos en su forma cruda), incluyendo qué tan resistentes podrían ser a la deformación durante el enfriamiento y qué tan bien llenan los pequeños detalles de un molde. Dependiendo de la función de la pieza, la apariencia cosmética también podría ser importante. El costo del material es otro tema. Puede haber otras consideraciones especiales, como la necesidad de calificaciones FDA o UL.

Mitigación de Costos y Plazos

Ciertamente, los costos y presupuestos generales, junto con los plazos y fechas límite, son también consideraciones clave. Y puede sentirse en algunos casos que el costo es especialmente el principal influyente en el desarrollo de piezas o productos. Sin embargo, al usar métodos de producción más asequibles como el moldeo, los costos pueden controlarse.

En esta línea, una fecha límite inminente también puede sentirse como un influyente principal. Sin embargo, gracias a los métodos de fabricación digital que pueden acelerar el desarrollo de productos, el prototipado y la producción de piezas y productos pueden acortarse drásticamente.

Gus Breiland es ingeniero técnico senior en Protolabs en Minnesota.

Eric Utley es ingeniero de aplicaciones en Protolabs en Carolina del Norte.