Desde la fabricación aditiva hasta el moldeo por inyección

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 y rentable de producir piezas para grandes series de producción de decenas de miles y más.

Como resultado, los 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 de la creación de prototipos de impresión 3D y luego cambiando al método de fabricación de moldeo por inyección para aumentar para volúmenes más altos. Para millones de diseños de piezas a lo largo de los años, esta ha sido la combinación preferida.

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

Cabe señalar que existen varios procesos de impresión 3D que tienen la capacidad de construir piezas de producción completamente funcionales. La sinterización directa de metales por láser, por ejemplo, utiliza una gama de metales para fabricar piezas de uso final. La sinterización selectiva por láser, utilizando materiales a base de nailon, puede crear piezas finales muy duraderas. Multi Jet Fusion también se utiliza para fabricar piezas de nailon de uso final.

Dicho esto, hacer el cambio de prototipos impresos en 3D a piezas finales moldeadas por inyección sigue siendo una opción de uso frecuente, principalmente, como se mencionó, porque el moldeo es una forma más rentable y eficiente de producir piezas en grandes cantidades.

Al elegir esta opción, hay una serie de consideraciones de diseño únicas que se deben tener en cuenta. Esta publicación ofrece consejos para navegar ese cambio:

• Definir una pieza antes de diseñar una pieza
• Uso de múltiples prototipos
• Maniobrando a través de molduras
• Elección de materiales
• Mitigación de costos y plazos

Al imprimir prototipos en 3D antes de pasar al moldeado, los equipos de desarrollo de productos pueden reducir el riesgo de diseño e iterar más rápidamente.

Mitigación de riesgos de diseño:definición de una pieza antes de diseñar una pieza

La creación de prototipos con impresión 3D o fabricación aditiva tiene que ver con la mitigación de riesgos de diseño:ver cómo mejorar el diseño de una pieza; observar qué riesgos potenciales podría haber para la forma, el ajuste y la función de una pieza; probar y examinar una variedad de conceptos de diseño; y tener cuidado de no diseñarse uno mismo en una esquina al no tener en cuenta la capacidad de fabricación de la pieza. De hecho, con la impresión 3D, existen pocas reglas o limitaciones que le causen problemas al crear una pieza. Pero, diseñar una pieza moldeable, bueno, esa es otra historia. La función afecta la forma de cualquier tipo de pieza, pero con las piezas de plástico en particular, también afecta el acabado e incluso el diseño del molde que les da forma.

Ahí es donde entra en juego nuestra plataforma de cotización digital automatizada. Este análisis es especialmente crucial si tiene en cuenta que la pieza se moldeará, o al menos se producirá en cantidades algo mayores más allá de la etapa de creación de prototipos. Para piezas impresas en 3D, obtiene una cotización instantánea con precios interactivos basados ​​en material, resolución y acabado. Además, siempre puede obtener comentarios sobre el diseño de uno de nuestros ingenieros de fabricación aditiva internos. Para las piezas moldeadas, obtiene una cotización interactiva en línea en cuestión de horas, además del análisis DFM y precios en tiempo real basados ​​en la cantidad, el acabado y el tiempo de entrega.

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

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

El equipo de ingeniería que desarrolló el Indago Quadcopter prototipó el diseño con impresión 3D y luego pasó al moldeado para la producción.

La creación de múltiples prototipos ayuda a determinar un método de producción

Como se mencionó, existen pocas reglas o limitaciones para crear una pieza con fabricación aditiva. Eso es una bendición y una maldición. Es especialmente un desafío cuando los diseñadores quieren hacer la transición de un diseño prototipo impreso a piezas moldeadas u otro método de producción. ¿Por qué? Bueno, en el caso del moldeo, “no le gustan” las secciones transversales gruesas, los voladizos, el fluir alrededor de un núcleo y el tejido, la geometría compleja, los canales o cámaras internas, las geometrías orgánicas, etc. En otras palabras, el hecho de que algo se pueda imprimir en 3D no significa necesariamente que se pueda moldear.

Como resultado, las citas cruzadas (citas a través o contra múltiples procesos) junto con la creación iterativa de prototipos, pueden ser un proceso de verificación útil para el diseño de una pieza. Hacer esto en paralelo ayudará a mostrar si la pieza será funcional y luego cómo podría convertirse con éxito al siguiente paso, a un método que permita una producción de mayor volumen, ya sea moldeado, fundición, mecanizado, chapa. fabricación u otro proceso. Es probable que esta creación de múltiples prototipos también lo ayude a determinar las consideraciones de precio y tiempo.

En el caso del moldeo por inyección, encontrará más restricciones sobre lo que se puede y no se puede moldear porque si no se puede producir el molde, no se puede producir la pieza. Para el moldeo por inyección, será necesario usar o agregar muchas técnicas y elementos de moldeo (consulte la siguiente sección sobre Maniobras a través del moldeo).

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

Enviaba un modelo sin modificar al sistema de cotización y luego obtenía comentarios, por ejemplo, sobre cómo podrían funcionar las mitades del molde, sugerencias de tiros laterales y aspectos destacados de las características que no se podían moldear. Luego, Pérez usaría esta información para convertir la pieza impresa en 3D en múltiples piezas de interfaz moldeables que preservarían la intención del diseño. Luego, volvía a enviar las piezas modificadas y obtenía aún más comentarios del sistema de cotización sobre cómo se podría hacer el molde, mostrándole, por ejemplo, dónde pudo haber pasado por alto el borrador requerido en las direcciones apropiadas.

Un ejemplo de la industria médica es la prueba de verificación que proporciona la impresión 3D para una pieza como un cierre Luer, que se enrosca y encaja en el extremo de las jeringas. Hay ciertas formas de moldear esas cerraduras para ahorrar costos, pero los diseños se pueden validar primero con impresión 3D, asegurándose de que se ajuste lo suficiente como para hacer un sello, por ejemplo, antes de considerar que funciona lo suficientemente bien como para pasar al moldeado.

En última instancia, dependiendo de la pieza que se esté diseñando, probar y usar varios prototipos puede ayudarlo a verificar si algo funcionará y a ganar más confianza en un prototipo antes de dar el salto al moldeado.

La creación de prototipos de componentes acoplados como un Luer lock que se enrosca en una jeringa es una excelente manera de confirmar el ajuste y la función antes de invertir en herramientas de producción.

Maniobra a través de molduras

Para hacer esa transición de prototipos impresos a piezas moldeadas, se deben considerar y, cuando corresponda, aplicar una serie de métodos de diseño de moldes. Las dos mejores de estas técnicas son espesor de pared y tiro uniformes, aunque también hay varias otras. He 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 grosor de pared uniforme hace posible que el plástico derretido llene el molde de manera uniforme, por lo tanto, no crea una pieza con alabeo, hundimiento, líneas finas entrecruzadas u otros defectos.

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

Radios. Utilice radios o esquinas redondeadas para mejorar el flujo de plástico en el molde, así como la integridad de la pieza. Las esquinas afiladas aumentan la tensión en su parte y dificultan el flujo del plástico derretido (resina).

Canutillos, fuelles, rampas. La inclusión de nervaduras y refuerzos de soporte puede aumentar la resistencia de las piezas estructurales y ayudar a eliminar la deformación, el hundimiento y los vacíos. Las nervaduras deben ser del 40 al 60% del espesor de la pared adyacente. Las rampas, en lugar de los escalones pronunciados, pueden reducir el estrés en los cambios entre las porciones de pared más gruesas y más delgadas.

Jefes. El diseño de una pared más delgada en una protuberancia o elemento de montaje que recibirá un tornillo eliminará el fregadero y los huecos.

Para obtener detalles sobre las pautas de diseño de moldeo por inyección, incluido el tamaño de la pieza y las recomendaciones de materiales, consulte nuestras pautas de diseño para el moldeo por inyección de plástico, que incluyen dimensiones de tamaño máximo, listas de plásticos y acabados superficiales de uso común, y opciones de acabado secundario y combinación de colores personalizados; directrices de diseño de caucho de silicona líquida (LSR); y pautas de sobremoldeo y moldeo por inserción.

Consideraciones de materiales para el moldeo por inyección

Las dos grandes categorías de materiales plásticos son los termoplásticos y los 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 capacidad de fabricación es esencial, como las características de las resinas (materiales plásticos en su forma cruda), incluida la resistencia que pueden tener a la deformación durante el enfriamiento y qué tan bien llenan las pequeñas características de un molde. Dependiendo de la función de la pieza, la apariencia cosmética también puede ser importante. El costo del material es otro problema. También puede haber otras consideraciones especiales, como la necesidad de clasificaciones FDA o UL.

Mitigación de costos y plazos

Ciertamente, los costos y presupuestos generales, junto con los cronogramas y los plazos, también son consideraciones clave. Y, en algunos casos, se puede sentir que el costo es especialmente el principal factor de influencia en el desarrollo de piezas o productos. Sin embargo, al utilizar métodos de producción más asequibles, como el moldeado, se pueden controlar los costos.

En este sentido, una fecha límite inminente también puede sentirse como un factor de influencia superior. Sin embargo, gracias a los métodos de fabricación digital que pueden acelerar el desarrollo de productos, la creación de prototipos y la producción de piezas y productos se pueden acortar drásticamente.

Gus Breiland es ingeniero técnico sénior en Protolabs en Minnesota.

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