Moldes de inyección para impresión 3D

Moldes de inyección para impresión 3D

Descubra las ventajas de coste, velocidad y diseño de los moldes de impresión 3D y las herramientas rápidas para moldeo por inyección, conformado al vacío y otros procesos de moldeo.

El competitivo sector del moldeo por inyección, en rápido crecimiento, mueve cientos de miles de millones de dólares, lo que obliga a los fabricantes a buscar métodos cada vez más eficaces y rentables para mantenerse en cabeza. La impresión 3D, también llamada fabricación aditiva, ayuda a los fabricantes a crear mejores moldes y herramientas para el moldeo por inyección de forma más rápida y barata que con los procesos tradicionales. Veamos cómo y por qué.

 

En muchos casos, la impresión 3D se utiliza para sustituir al moldeo por inyección. Por ejemplo, cuando se necesitan unos pocos prototipos o un pequeño volumen de piezas de plástico, suele ser más barato y rápido imprimirlas en 3D que moldearlas por inyección, ya que el moldeo por inyección implica dos pasos: la creación del molde y luego el moldeo del producto.

Pero la impresión 3D también puede utilizarse en el proceso de moldeo por inyección. Los propios moldes, que son la parte más expansiva del proceso, pueden imprimirse en 3D en plástico resistente al calor, metal o cerámica.

Aquí exploramos cómo y por qué las empresas utilizan la impresión 3D para fabricar mejores herramientas para la fabricación tradicional, como moldes, matrices y patrones, que luego se utilizan en los procesos de fabricación tradicionales para producir prototipos y piezas finales. Se trata de un uso creciente y complementario de la impresión 3D junto con la fabricación convencional.

¿Por qué imprimir moldes en 3D?

Las impresoras 3D llevan años sacudiendo el sector de la fabricación de moldes al producir moldes de plástico rápidos y asequibles y moldes metálicos únicos que permiten diseños complejos, personalización en masa y aceleran los tiempos de producción.

Aun así, la fabricación de moldes hoy en día suele ser un proceso de mecanizado. Se utiliza un modelo digital en 3D del producto final para crear un diseño de molde digital utilizando software para esta tarea específica, que incluye determinar el número de cavidades, las ubicaciones de las compuertas y los sistemas de canalización necesarios en el proceso de moldeo por inyección.

A continuación, los componentes del molde se mecanizan con equipos controlados por ordenador, como fresadoras y tornos CNC, que siguen las trayectorias establecidas en el diseño digital. Los fabricantes de herramientas cualificados pueden tomar la pieza en bruto mecanizada con CNC y someterla a una serie de tipos de mecanizado cada vez más finos hasta el pulido final para obtener una superficie de calidad. Es un proceso de varios pasos que requiere varios equipos y maquinistas, y que puede llevar días o semanas.

 

Aunque la velocidad de la impresión 3D en comparación con el mecanizado depende de varios factores, como el tipo de tecnología utilizada para cada proceso, el tamaño y la complejidad de la pieza que se va a producir y el material que se va a utilizar, la impresión 3D requiere menos pasos y puede producir moldes en tan solo unas horas, lo que resulta especialmente ideal para prototipos de productos.

En esta guía, profundizamos tanto en la fabricación de moldes de plástico como de metal, ya que responden a necesidades diferentes y tienen ventajas e inconvenientes distintos.

 

Pros y contras de los moldes de plástico impresos en 3D

Las impresoras 3D de plástico (o polímero), junto con materiales duros y resistentes a la temperatura, permiten a las empresas fabricar sus propios moldes de inyección internamente o encargarlos rápidamente a un proveedor de servicios. Los moldes directamente de la impresora 3D pueden utilizarse para volúmenes bajos de piezas (hasta 100 o hasta más de 10.000, según el material) y pueden costar hasta un 90% menos que los moldes de metal.

La impresión 3D en plástico es el método de fabricación de moldes preferido en situaciones en las que los plazos de entrega cortos y los costes bajos son fundamentales. Aquí estamos hablando no sólo de imprimir en 3D un molde para obtener prototipos rápidos, sino de imprimir en 3D un prototipo de un molde que luego se puede mecanizar en metal. Esto permite a las empresas probar e iterar con mayor rapidez y, a continuación, pasar con más confianza al utillaje convencional para la producción en serie.

Por ejemplo, echemos un vistazo a cómo se desarrollan los moldes de soplado en PepsiCo. La creación de moldes metálicos convencionales para el moldeo por soplado de botellas en el campus de I+D de PepsiCo en Valhalla (Nueva York) solía suponer hasta cuatro semanas de espera y miles de dólares en costes, según Max Rodríguez, director de I+D global de envases, ingeniería avanzada y diseño, en el centro de investigación de PepsiCo.

Rodríguez empezó a trabajar con impresoras 3D hace varios años para sacar nuevos productos al mercado más rápidamente reduciendo el tiempo y el coste de los prototipos. Recurrió a esta tecnología para moldear herramientas cuando encontró un método y unos materiales lo suficientemente duraderos para satisfacer sus necesidades. Utilizando la impresora 3D Nexa3D NXE 400 y su material de resina xPEEK147 de Henkel Loctite, Rodríguez pudo imprimir varias piezas de molde a la vez con una calidad final que necesitaba un procesamiento posterior mínimo. Un juego completo de moldes puede fabricarse en 12 horas, con 8 horas de impresión 3D y 4 horas de postprocesado o curado, afirma.

Los moldes de impresión 3D de PepsiCo se utilizan para prototipos de unas 10.000 botellas. Para la producción en serie de millones de botellas al año, Rodríguez sigue utilizando herramientas de metal, pero “los moldes de soplado de impresión 3D de metal son un trabajo en progreso”.

En Grisport, el fabricante italiano de calzado de seguridad y senderismo de gama alta, los ingenieros afirman que su molde de zapato impreso en 3D iguala el rendimiento de un molde de aluminio con la ventaja de un menor coste y una producción más rápida.

“La impresión en 3D va a cambiar radicalmente nuestra forma de introducir modelos y productos en el mercado”, afirma Giovanni Grigolato, director de I+D de la empresa.

Grisport está trabajando para sustituir sus costosos moldes de inyección de aluminio por otros impresos en 3D que produzcan el mismo resultado a una décima parte del coste y 50 veces más rápido. La empresa utiliza una Photocentric Liquid Crystal (LC) Magna, una impresora 3D de resina de gran formato, y un material HighTemp DL401. Grisport afirma que ya no tiene que preocuparse por producir un diseño de zapato que genere una cantidad mínima de ventas para justificar los 5.000 euros (5.500 dólares) que cuesta producir un molde de aluminio. A unos 500 euros por molde impreso en 3D, la empresa puede sacar al mercado más diseños. También ofrece la posibilidad de fabricar ediciones limitadas y productos personalizados.

 

Moldes para prototipos de productos

El fabricante de dispositivos médicos Cogmedix, que recurre a la impresión 3D para obtener rápidamente moldes, moldeó por inyección 3D prototipos de productos que su cliente podía utilizar para cumplir las normativas y realizar pruebas. Las piezas no solo debían cumplir sus rigurosos estándares de calidad y tolerancias, sino que también debían fabricarse con el material y el proceso de producción finales, en este caso, el moldeo por inyección, para la validación de productos y las pruebas de esterilización de la FDA.

Cogmedix encargó el prototipo de molde de inyección impreso en 3D a la empresa de diseño e ingeniería Empire Group, con sede en Massachusetts, que utilizó la impresora 3D Fortify Flux One con una resina patentada reforzada con fibra cerámica.

El moldeo por inyección es un proceso de fabricación aprobado para muchos productos regulados, como juguetes infantiles y dispositivos médicos, mientras que la impresión 3D puede no serlo.

Producir prototipos con el mismo diseño y material que el producto final mejora y acelera enormemente el proceso de prueba de prototipos. Addifab, con sede en Bélgica, es una empresa emergente especializada en moldes de impresión 3D para moldeo por inyección. Ofrece un material de resina pendiente de patente para moldes de impresión 3D que puede soportar una presión de inyección de hasta 2.500 bares y una temperatura de fusión de 450 °C, tras lo cual el molde se disuelve completamente en una solución alcalina-agua al cabo de 12 a 48 horas.

Wilson Sporting Goods utilizó recientemente las resinas Addifab en sus impresoras de gran formato Nexa3D NXE 400 para producir varias versiones de moldes de inyección en un solo lote para un nuevo mango de bate de béisbol.

“Lo que antes tardaba meses en construirse en nuestro taller de mecanizado, ahora sólo le lleva días a nuestro equipo dar la vuelta a estas iteraciones de diseño”, afirma Glen Mason, director de innovación avanzada e industrialización de la división DeMarini de Wilson Sporting Goods. “Esto nos ayuda a mejorar en gran medida nuestro tiempo de comercialización, lo que nos permite ser rápidos y ágiles con nuestro proceso de toma de decisiones de diseño.”

Moldeo por inyección a corto plazo económicamente viable

Con la fabricación de moldes convencional, el coste más considerable de la fabricación con moldeo por inyección es la creación del molde. Sólo cuando se fabrica y vende un gran volumen de productos puede recuperarse el coste de producción del molde. Si un producto tiene un ciclo de vida corto o una demanda baja, invertir en un molde mecanizado puede no tener sentido desde el punto de vista financiero, por lo que es posible que no se fabriquen productos.

Con moldes impresos en 3D más rápidos y baratos, los fabricantes pueden ampliar su oferta de productos a trabajos personalizados o de bajo volumen que antes no eran económicamente viables. Los moldes impresos en 3D para la producción final de tiradas cortas ofrecen a los fabricantes la flexibilidad necesaria para producir piezas personalizadas de forma rápida y sencilla y responder con mayor rapidez a las demandas de nuevos productos por parte de los clientes.

El mayor ahorro de costes en moldes se produce cuando un molde de metal puede sustituirse por uno de plástico. Un ejemplo: Multiplus, una empresa china de moldeo por inyección. Recientemente ha experimentado un aumento de la demanda de producción de lotes pequeños, que tradicionalmente tienen un margen de beneficio más bajo debido a la complejidad y el coste de fabricación de las herramientas duras.

“Aunque no es la mayor parte de lo que hacemos ahora, las solicitudes de producción de lotes pequeños son cada vez más comunes”, dice Kevin Li, CEO de Multiplus. “Algunos son para diseño y validación funcional, pero cada vez son más los de uso final. Esto tiene sentido porque cada vez más empresas quieren probar el mercado.”

Multiplus recurrió a la impresión 3D para explorar materiales adecuados para producir más rápidamente moldes de plástico más baratos para pedidos más pequeños, y descubrió que las impresoras 3D Formlabs con la resina rellena de vidrio de la empresa, Rigid 10K Resin, encajaba perfectamente con sus máquinas de moldeo por inyección industrial Babyplast.

Tras diseñar el molde, Multiplus podía imprimirlo y posprocesarlo en un día, montar los moldes en media hora y empezar a moldear por inyección. La empresa limita el uso de cada molde a unas 100 inyecciones, pero imprime varios moldes a la vez para pedidos de mayor volumen.

En otro ejemplo, Humanetics, el mayor fabricante de maniquíes para pruebas de choque, recurrió al fabricante de impresoras 3D Markforged para ahorrar tiempo y dinero en la fabricación de moldes. La empresa necesitaba un molde termoestable para sustituir su costoso proceso de silicona subcontratado que pudiera soportar una fuerza de sujeción significativa mientras se calentaba a 150 ºC. El material Onyx de Markforged impreso con la impresora 3D X7 produjo un molde en unas 60 horas que costó unos 240 dólares cada uno, en comparación con las 144 horas de tiempo de fabricación de los moldes de silicona mecanizados, que costaron unos 1.000 dólares cada uno.

Pros y contras del molde de plástico impreso en 3D

Pros

  • Método mucho más rápido que los moldes de metal.
  • Mucho más barato que los moldes de metal.
  • Solución interna para proteger la propiedad intelectual.
  • Se pueden imprimir varios moldes a la vez.
  • Las características especiales, como los hilos, se imprimen,no son un paso posterior al proceso.
  • Las piezas de moldes de plástico impresos en 3D tienen la misma calidad que las piezas moldeadas de metal.
  • Amplia selección de fabricantes externos.
Contras
  • Las piezas moldeadas tardan más en enfriarse.
  • Se desgastan más rápido que los moldes de metal.
  • Todavía puede requerir mecanizado.
  • Tamaño de molde limitado.
  • Estética de superficie de menor calidad directamente desde la impresora.

 

Materiales y tecnología para moldes de plástico

Existe una amplia gama de plásticos utilizados en la impresión 3D que pueden soportar la presión y las temperaturas de las máquinas de moldeo por inyección. La elección del material depende de la temperatura de fusión del plástico que vaya a moldear, la presión de la máquina de moldeo por inyección y el número de piezas que pretenda producir.

Plásticos comunes para moldes y herramientas impresos en 3D

  • ABS
  • PETG
  • Polypropylene (PP)
  • Nylon (PA)
  • Carbon Fiber Nylon
  • Ultem
  • Tooling resin

Todos ellos son menos duraderos que el metal, pero pueden soportar decenas o centenares de ciclos de moldeo por inyección. Para volúmenes de miles de piezas, casi siempre se prefiere el metal al plástico.

Los moldes de plástico suelen tener una conductividad térmica inferior a la de los moldes metálicos, lo que se traduce en tiempos de enfriamiento más largos para las piezas moldeadas por inyección. La impresión 3D de moldes de sacrificio de PVA o de una resina soluble en agua es una solución prometedora para el moldeo por inyección de muy bajo volumen utilizado en investigación.

Tecnología de impresión 3D para moldes de plástico

Aunque la solución de impresión 3D más económica para moldes y herramientas de plástico es el modelado por deposición fundida (FDM), con este método se producen líneas de capa visibles. Pueden eliminarse con lijado o acabado químico. Estos moldes también pueden acabarse con tolerancias más estrictas mediante mecanizado.

La impresión 3D con resina -estereolitografía (SLA), procesamiento digital de la luz (DLP)- es la tecnología más popular, ya que produce moldes con un acabado superficial más fino que necesita menos procesamiento posterior, si es que necesita alguno. Otra tecnología de impresión 3D basada en resinas, el chorro de material, puede fabricar moldes en múltiples materiales y colores, junto con un acabado superficial fino. El sinterizado selectivo por láser (SLS), una tecnología que utiliza materiales poliméricos en polvo y láseres, produce moldes, normalmente de nailon reforzado, con calidad superficial y resistencia.

 

Pros y contras de los moldes metálicos impresos en 3D

El factor que impulsa el uso creciente de moldes metálicos impresos en 3D es totalmente distinto de las ventajas de los moldes de plástico impresos en 3D. De hecho, los moldes metálicos impresos en 3D pueden, en determinadas circunstancias, ser más caros y tardar tanto en fabricarse como los moldes metálicos tradicionales, pero tienen una ventaja significativa que los convierte en mejores moldes: los canales de refrigeración conformados.

Esta característica, que solo está disponible en los moldes impresos en 3D, está provocando una especie de revolución en el sector de la fabricación de moldes.

Los canales de refrigeración son esenciales en las herramientas de moldeo por inyección de metal para que las piezas se enfríen más rápida y uniformemente. La fase de enfriamiento representa entre el 70% y el 80% del tiempo total del ciclo, por lo que reducir ese tiempo a lo largo de la vida útil de un molde supone un ahorro significativo para los fabricantes. Una refrigeración adecuada también afecta a la precisión dimensional, la calidad de la superficie y las propiedades mecánicas del producto final.

Con las tecnologías de mecanizado convencionales, los canales de refrigeración se añaden al molde taladrando en líneas rectas. Cuanto más compleja es la geometría de un componente, más difícil resulta mantener una refrigeración precisa a lo largo del contorno del molde. Esto puede hacer que la producción convencional de componentes sofisticados sea extraordinariamente laboriosa y costosa.

En comparación con los procesos tradicionales, la fabricación aditiva puede crear canales de refrigeración curvados dentro de un molde moldeado para ajustarse a la geometría de la pieza y proporcionar refrigeración donde más se necesita para mejorar la calidad de la pieza y reducir los tiempos de refrigeración hasta en un 70%.

La impresión de metales aporta nuevas geometrías a la refrigeración conformada que eran inimaginables hace 20 años”, afirma Mike McLean, director general de piezas impresas en 3D de Scarlett Inc, una empresa de mecanizado y herramientas de Grand Rapids, Michigan. “Podemos conseguir canales de refrigeración a menos de 2 mm de la cara de una herramienta de molde de inyección”.

Los canales de refrigeración conformados se añaden en el paso de diseño del molde en el software CAD, que puede simular y predecir la colocación ideal de los canales. Esta fase de diseño, sin embargo, añade tiempo y costes a un nuevo molde metálico.

Aunque suele ser un proceso más rápido, la impresión 3D en metal no siempre lo es. Dependiendo de la complejidad del molde o la herramienta, puede llevar varios días o semanas producir un molde final. Las ventajas del utillaje metálico impreso en 3D suelen materializarse en la producción de piezas, no en la construcción del propio utillaje.

Materiales y tecnología para moldes metálicos

La impresión 3D en metal se utiliza para crear moldes para la producción de productos finales y prototipos. El mismo archivo de modelo digital que se introduciría en el software que controla el CNC o la fresadora en la fabricación convencional de moldes puede utilizarse en su lugar para crear un archivo de impresión 3D, que luego se carga en una impresora 3D que crea el molde. Ese archivo original también puede mejorarse para aprovechar las características únicas de la impresión 3D.

El detalle que permite la tecnología de impresión 3D de metales, como la fusión de polvo con láser, permite a los fabricantes saltarse varios pasos del proceso convencional de fabricación de moldes y eliminar la necesidad de maquinistas cualificados.

Sin embargo, a pesar de los detalles que se pueden conseguir con la impresión 3D, el mecanizado adicional sigue siendo habitual. De hecho, en Protiq, una oficina de servicios de impresión 3D que fabrica herramientas tanto de polímero como de metal, algunos clientes optan por fabricar moldes metálicos en blanco, explica Johannes Lohn, responsable de desarrollo, marketing y ventas de la empresa.

“Tenemos clientes que operan servicios de moldeo por inyección y nos buscan para la fabricación por contrato de piezas en bruto impresas en 3D, ya que quieren hacer el acabado ellos mismos”, dice Lohn. Protiq utiliza la fusión de lecho de polvo por láser para fabricar moldes en acero para herramientas 1.2709, un material que la empresa ha desarrollado con Nordic Metals. El material es blando tras la impresión y puede acabarse fácilmente con CNC.

Lohn afirma que la impresión 3D en metal no sustituirá al mecanizado de las herramientas de moldeo por inyección, sino que será un complemento que facilitará una producción global más rápida. “El beneficio reside en la combinación de las ventajas de ambos procesos”, afirma. “Por este motivo, Protiq ha ampliado su gama de servicios para incluir el acabado CNC coordinado con la fabricación de moldes”.

Otra tecnología de impresión 3D en el horizonte es la llamada deposición directa de energía (DED). Este método permite fabricar moldes metálicos en múltiples materiales metálicos. Por ejemplo, puede aplicarse una capa superior de acero inoxidable sobre un sustrato de cobre puro para combinar una alta conductividad térmica con resistencia al desgaste, propiedades necesarias en las herramientas de moldeo por inyección.

Dado que las piezas metálicas impresas en 3D suelen necesitar mecanizado adicional, cada vez hay más máquinas híbridas en el mercado que incorporan una impresora 3D y una máquina CNC en una sola utilizando el mismo software.

En este sentido, la nueva impresora 3D Mantle 3D se centra exclusivamente en la fabricación de moldes y herramientas. La máquina TrueShape de la empresa primero imprime en 3D un molde metálico utilizando una lechada extruible de acero para herramientas. A continuación, la máquina CNC integrada termina el molde con tolerancias muy ajustadas y lo sinteriza en su horno de alta temperatura.

Otra start-up interesante que se sube a la ola de la impresión 3D para moldes de inyección es una empresa neozelandesa llamada Foundry Lab. Su solución “foundry-in-a-box” está pensada para fabricantes que necesitan piezas metálicas únicas o de bajo volumen fundidas rápidamente y con un bajo impacto económico y energético. Esta ingeniosa idea de fabricación aditiva funciona de la siguiente manera: se crea un archivo digital de un molde y se alimenta a la parte de la impresora que realiza la inyección de aglutinante cerámico (un tipo de impresión 3D). Una vez que el molde se imprime en 3D y se procesa en un microondas especial, se inserta un trozo de metal de Foundry Lab (zinc o aluminio patentados, con otros metales en camino) y se vuelve a colocar en el microondas, donde el metal se funde en el molde. “No es necesario verter metal caliente ni tocar polvos metálicos”, afirma la empresa.

Metales comunes para moldes y herramientas impresos en 3D

  • Aceros inoxidables
  • Aceros para herramientas

Además de metal, los moldes pueden imprimirse directamente en 3D en una amplia gama de cerámicas, arenas y silicona. En este otro artículo tratamos la fundición en arena a gran escala, especialmente popular entre fabricantes de automóviles como GM y Tesla.

 

Impresión 3D para moldes de moldeo por vacío

 

La impresión 3D de sobremesa junto con las máquinas de sobremesa de conformado por vacío y presión, como Mayku y Vaquform, están acelerando enormemente el desarrollo de prototipos de productos y envases. Para la fabricación industrial de moldes de vacío, los núcleos de moldes impresos en 3D ofrecen una mayor flexibilidad y posibilidades de personalización.

A diferencia del moldeo por inyección, en el que se puede imprimir directamente el molde en 3D, para la fundición en vacío, el molde tiene la forma básica del producto final.

Las ventajas de imprimir en 3D estas formas de moldes son la velocidad, el coste y el ahorro de material con respecto al mecanizado tradicional de plástico, metal o madera, especialmente cuando la impresión 3D se realiza en la propia empresa. Además, existe la posibilidad de lograr mayores complejidades geométricas.

Los plazos de entrega más rápidos y los costes más bajos son los principales incentivos a la hora de adoptar una nueva forma de crear moldes para el moldeo por vacío.

Con materiales resistentes al calor, como el nailon de fibra de carbono, puede imprimir en 3D moldes para conformado al vacío con rellenos de celosía en lugar de sólidos, lo que produce diversos efectos y ahorra materiales, además de que no hay residuos, ya que la impresión 3D no es un proceso sustractivo. Las impresoras 3D pueden producir piezas grandes o varias piezas pequeñas en un solo trabajo de fabricación.

Dependiendo de su aplicación, es necesario el postprocesado y el lijado para conseguir un servicio sin problemas.

 

Imprima sus moldes en 3D

Si no está preparado para invertir en sus propias impresoras 3D de polímeros o metales, los moldes y herramientas de inyección siguen estando a su alcance en una amplia variedad de servicios de impresión 3D bajo demanda. Puede optar por asociarse con un servicio para el diseño y la producción de su molde o simplemente cargar un archivo digital. Muchos de estos servicios ofrecen varias tecnologías de impresión 3D junto con el mecanizado convencional y pueden asesorarle sobre el mejor método o métodos para conseguir el molde que necesita en el menor tiempo posible.

Craftcloud by All3DP, por ejemplo, acaba de lanzar un servicio especializado de fundición y moldeado que resulta ideal para una amplia gama de aplicaciones. Tanto si busca moldes de plástico detallados para prototipos de productos, fundiciones metálicas complejas para piezas de automoción o componentes personalizados para el diseño de productos, Craftcloud puede asesorarle sobre la solución más adecuada.

Además de los principales servicios que detallamos en nuestra guía a continuación, la mencionada Addifab también ofrece como servicio su moldeo por inyección impreso en 3D de resina soluble.

Articulo Original aqui

 

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