Moldeo por inyección


El moldeo por inyección (ortografía estadounidense: moldeo por inyección ) es un proceso de fabricación para producir piezas mediante la inyección de material fundido en un molde o molde . El moldeo por inyección se puede realizar con una gran cantidad de materiales que incluyen principalmente metales (para lo cual el proceso se llama fundición a presión ), vidrios , elastómeros , dulces y, más comúnmente, polímeros termoplásticos y termoendurecibles . El material de la pieza se introduce en un barril calentado, se mezcla (usando un tornillo helicoidal) y se inyecta en una cavidad de molde , donde se enfría y se endurece a la configuración de la cavidad. [1]: 240 Después de que un producto es diseñado, generalmente por un diseñador industrial o un ingeniero , los moldes son hechos por un fabricante de moldes (o herramientas) de metal , generalmente acero o aluminio , y maquinados con precisión para formar las características de la pieza deseada. . El moldeo por inyección se usa ampliamente para fabricar una variedad de piezas, desde los componentes más pequeños hasta los paneles completos de la carrocería de los automóviles. Los avances en la tecnología de impresión 3D , utilizando fotopolímeros que no se funden durante el moldeo por inyección de algunos termoplásticos de baja temperatura, se pueden utilizar para algunos moldes de inyección simples.

Una maquina de moldeo por inyeccion
Diagrama simplificado del proceso

El moldeo por inyección utiliza una máquina especial que consta de tres partes: la unidad de inyección, el molde y la pinza. Las piezas a moldear por inyección deben diseñarse con mucho cuidado para facilitar el proceso de moldeo; el material utilizado para la pieza, la forma deseada y las características de la pieza, el material del molde y las propiedades de la máquina de moldeo deben tenerse en cuenta. La versatilidad del moldeo por inyección se ve facilitada por esta amplitud de consideraciones y posibilidades de diseño.

El moldeo por inyección se utiliza para crear muchas cosas, como bobinas de alambre, envases , tapas de botellas , piezas y componentes de automóviles, juguetes, peines de bolsillo , algunos instrumentos musicales (y partes de ellos), sillas y mesas pequeñas de una pieza, contenedores de almacenamiento, maquinaria piezas (incluidos engranajes) y la mayoría de los demás productos de plástico disponibles en la actualidad. El moldeo por inyección es el método moderno más común de fabricación de piezas de plástico; es ideal para producir grandes volúmenes del mismo objeto. [2]

Pellets de resina termoplástica para moldeo por inyección

El moldeo por inyección utiliza un pistón de tipo pistón o tornillo para forzar el plástico fundido o material de caucho dentro de la cavidad del molde; esto se solidifica en una forma que se ha conformado al contorno del molde. Se usa más comúnmente para procesar polímeros termoplásticos y termoendurecibles , siendo el volumen usado de los primeros considerablemente mayor. [3] : 1–3 Los termoplásticos prevalecen debido a características que los hacen muy adecuados para el moldeo por inyección, como la facilidad de reciclaje, la versatilidad para una amplia variedad de aplicaciones, [3] : 8–9 y la capacidad de ablandarse y fluir calefacción. Los termoplásticos también tienen un elemento de seguridad sobre los termoestables; Si un polímero termoendurecible no se expulsa del cilindro de inyección de manera oportuna, puede ocurrir una reticulación química que haga que el tornillo y las válvulas de retención se agarroten y dañen potencialmente la máquina de moldeo por inyección. [3] : 3

El moldeo por inyección consiste en la inyección a alta presión de la materia prima en un molde, que da forma al polímero en la forma deseada. [3] : 14 Los moldes pueden ser de una sola cavidad o múltiples cavidades. En moldes de múltiples cavidades, cada cavidad puede ser idéntica y formar las mismas partes o puede ser única y formar múltiples geometrías diferentes durante un solo ciclo. Los moldes generalmente están hechos de aceros para herramientas , pero los aceros inoxidables y los moldes de aluminio son adecuados para ciertas aplicaciones. Los moldes de aluminio no suelen ser adecuados para la producción de grandes volúmenes o piezas con tolerancias dimensionales estrechas, ya que tienen propiedades mecánicas inferiores y son más propensas a desgastarse, dañarse y deformarse durante los ciclos de inyección y sujeción; sin embargo, los moldes de aluminio son rentables en aplicaciones de bajo volumen, ya que los costos y el tiempo de fabricación del molde se reducen considerablemente. [1] Muchos moldes de acero están diseñados para procesar más de un millón de piezas durante su vida útil y su fabricación puede costar cientos de miles de dólares.

Cuando se moldean termoplásticos, normalmente la materia prima granulada se alimenta a través de una tolva a un barril calentado con un tornillo alternativo. Al entrar al barril, la temperatura aumenta y las fuerzas de Van der Waals que resisten el flujo relativo de cadenas individuales se debilitan como resultado del aumento del espacio entre moléculas en estados de energía térmica más altos. Este proceso reduce su viscosidad , lo que permite que el polímero fluya con la fuerza motriz de la unidad de inyección. El tornillo entrega la materia prima hacia adelante, mezcla y homogeneiza las distribuciones térmica y viscosa del polímero y reduce el tiempo de calentamiento requerido cortando mecánicamente el material y agregando una cantidad significativa de calentamiento por fricción al polímero. El material avanza a través de una válvula de retención y se acumula en la parte delantera del tornillo en un volumen conocido como disparo . Un disparo es el volumen de material que se utiliza para llenar la cavidad del molde, compensar la contracción y proporcionar un colchón (aproximadamente el 10% del volumen total del disparo, que permanece en el cañón y evita que el tornillo toque fondo) para transferir la presión. desde el tornillo hasta la cavidad del molde. Cuando se ha acumulado suficiente material, el material se fuerza a alta presión y velocidad dentro de la cavidad de formación de la pieza. La cantidad exacta de contracción depende de la resina que se utilice y puede ser relativamente predecible. [4] Para evitar picos de presión, el proceso normalmente usa una posición de transferencia correspondiente a una cavidad llena del 95 al 98% donde el tornillo cambia de una velocidad constante a un control de presión constante. A menudo, los tiempos de inyección son inferiores a 1 segundo. Una vez que el tornillo alcanza la posición de transferencia, se aplica la presión de empaque, lo que completa el llenado del molde y compensa la contracción térmica, que es bastante alta para los termoplásticos en comparación con muchos otros materiales. La presión de empaque se aplica hasta que la compuerta (entrada de la cavidad) se solidifica. Debido a su pequeño tamaño, la puerta es normalmente el primer lugar en solidificarse en todo su espesor. [3] : 16 Una vez que la puerta se solidifica, no puede entrar más material en la cavidad; por consiguiente, el tornillo se mueve alternativamente y adquiere material para el siguiente ciclo mientras que el material dentro del molde se enfría para que pueda ser expulsado y sea dimensionalmente estable. Esta duración de enfriamiento se reduce drásticamente mediante el uso de líneas de enfriamiento que hacen circular agua o aceite desde un controlador de temperatura externo. Una vez que se ha alcanzado la temperatura requerida, el molde se abre y una serie de pasadores, manguitos, separadores, etc. se empujan hacia adelante para desmoldar el artículo. Luego, el molde se cierra y se repite el proceso.

Para un molde de dos disparos, se incorporan dos materiales separados en una pieza. Este tipo de moldeo por inyección se utiliza para agregar un toque suave a las perillas, para dar a un producto múltiples colores o para producir una pieza con múltiples características de desempeño. [5]

Para los termoendurecibles, normalmente se inyectan dos componentes químicos diferentes en el barril. Estos componentes comienzan inmediatamente reacciones químicas irreversibles que eventualmente entrecruzan el material en una única red de moléculas conectadas. A medida que ocurre la reacción química, los dos componentes del fluido se transforman permanentemente en un sólido viscoelástico . [3] : 3 La solidificación en el cilindro de inyección y el tornillo puede ser problemática y tener repercusiones financieras; por lo tanto, es vital minimizar el curado termoestable dentro del barril. Normalmente, esto significa que el tiempo de residencia y la temperatura de los precursores químicos se minimizan en la unidad de inyección. El tiempo de residencia se puede reducir minimizando la capacidad de volumen del barril y maximizando los tiempos de ciclo. Estos factores han llevado al uso de una unidad de inyección en frío aislada térmicamente que inyecta los productos químicos que reaccionan en un molde caliente aislado térmicamente, lo que aumenta la velocidad de las reacciones químicas y reduce el tiempo requerido para lograr un componente termoestable solidificado. Una vez que la pieza se ha solidificado, las válvulas se cierran para aislar el sistema de inyección y los precursores químicos , y el molde se abre para expulsar las piezas moldeadas. Luego, el molde se cierra y el proceso se repite.

Los componentes premoldeados o mecanizados se pueden insertar en la cavidad mientras el molde está abierto, lo que permite que el material inyectado en el siguiente ciclo se forme y solidifique alrededor de ellos. Este proceso se conoce como moldeo por inserción y permite que las piezas individuales contengan varios materiales. Este proceso se utiliza a menudo para crear piezas de plástico con tornillos metálicos que sobresalen para que se puedan sujetar y desabrochar repetidamente. Esta técnica también se puede utilizar para el etiquetado en molde y las tapas de película también se pueden unir a los recipientes de plástico moldeados.

Una línea de separación , bebedero , marcas de compuerta y marcas de pasador de expulsión suelen estar presentes en la parte final. [3] : 98 Por lo general, no se desea ninguna de estas características, pero son inevitables debido a la naturaleza del proceso. Las marcas de compuerta se producen en la compuerta que une los canales de suministro de masa fundida (bebedero y canal) a la cavidad que forma la pieza. Las marcas de la línea de separación y del pasador de expulsión son el resultado de desalineaciones diminutas, desgaste, ventilaciones gaseosas, holguras para partes adyacentes en movimiento relativo y / o diferencias dimensionales de las superficies de contacto que entran en contacto con el polímero inyectado. Las diferencias dimensionales se pueden atribuir a la deformación no uniforme inducida por la presión durante la inyección, las tolerancias de mecanizado y la expansión y contracción térmica no uniforme de los componentes del molde, que experimentan ciclos rápidos durante las fases de inyección, empaque, enfriamiento y expulsión del proceso. . Los componentes del molde a menudo se diseñan con materiales de varios coeficientes de expansión térmica. Estos factores no pueden tenerse en cuenta simultáneamente sin aumentos astronómicos en el costo de diseño, fabricación , procesamiento y monitoreo de la calidad . El hábil diseñador de moldes y piezas coloca estos detrimentos estéticos en áreas ocultas si es posible.

El inventor estadounidense John Wesley Hyatt , junto con su hermano Isaiah, patentó la primera máquina de moldeo por inyección en 1872. [6] Esta máquina era relativamente simple en comparación con las máquinas en uso hoy en día: funcionaba como una gran aguja hipodérmica , usando un émbolo para inyectar plástico. a través de un cilindro calentado en un molde. La industria progresó lentamente a lo largo de los años, produciendo productos como collares , botones y peinetas.

Los químicos alemanes Arthur Eichengrün y Theodore Becker inventaron las primeras formas solubles de acetato de celulosa en 1903, que era mucho menos inflamable que el nitrato de celulosa . [7] Finalmente se puso a disposición en forma de polvo a partir del cual se moldeó por inyección fácilmente. Arthur Eichengrün desarrolló la primera prensa de moldeo por inyección en 1919. En 1939, Arthur Eichengrün patentó el moldeo por inyección de acetato de celulosa plastificado.

La industria se expandió rápidamente en la década de 1940 porque la Segunda Guerra Mundial creó una gran demanda de productos económicos producidos en masa. [8] En 1946, el inventor estadounidense James Watson Hendry construyó la primera máquina de inyección de tornillo, que permitió un control mucho más preciso sobre la velocidad de inyección y la calidad de los artículos producidos. [9] Esta máquina también permitía mezclar el material antes de la inyección, de modo que se pudiera agregar plástico coloreado o reciclado al material virgen y mezclarlo bien antes de inyectarlo. En la década de 1970, Hendry desarrolló el primer proceso de moldeo por inyección asistido por gas , que permitió la producción de artículos huecos complejos que se enfriaban rápidamente. Esto mejoró enormemente la flexibilidad del diseño, así como la resistencia y el acabado de las piezas fabricadas, al tiempo que redujo el tiempo de producción, el costo, el peso y el desperdicio. En 1979, la producción de plástico superó a la de acero, y en 1990, los moldes de aluminio se utilizaron ampliamente en el moldeo por inyección. [10] Hoy en día, las máquinas de inyección de tornillo representan la gran mayoría de todas las máquinas de inyección.

La industria del moldeo por inyección de plástico ha evolucionado a lo largo de los años desde la producción de peines y botones hasta la producción de una amplia gama de productos para muchas industrias, incluida la automotriz, médica, aeroespacial, productos de consumo, juguetes, plomería , empaques y construcción. [11] : 1–2

Se pueden usar la mayoría de los polímeros, a veces denominados resinas, incluidos todos los termoplásticos, algunos termoestables y algunos elastómeros. [12] Desde 1995, el número total de materiales disponibles para el moldeo por inyección ha aumentado a un ritmo de 750 por año; había aproximadamente 18.000 materiales disponibles cuando comenzó esa tendencia. [13] Los materiales disponibles incluyen aleaciones o mezclas de materiales previamente desarrollados, por lo que los diseñadores de productos pueden elegir el material con el mejor conjunto de propiedades de una amplia selección. Los principales criterios para la selección de un material son la resistencia y función requerida para la pieza final, así como el costo, pero también cada material tiene diferentes parámetros de moldeo que deben tenerse en cuenta. [11] : 6 Otras consideraciones al elegir un material de moldeo por inyección incluyen el módulo de elasticidad a la flexión, o el grado en que un material se puede doblar sin dañar, así como la deflexión del calor y la absorción de agua. [14] Los polímeros comunes como el epoxi y el fenólico son ejemplos de plásticos termoendurecibles, mientras que el nailon , el polietileno y el poliestireno son termoplásticos. [1] : 242 Hasta hace relativamente poco tiempo, los resortes de plástico no eran posibles, pero los avances en las propiedades de los polímeros los hacen ahora bastante prácticos. Las aplicaciones incluyen hebillas para anclar y desconectar las correas de equipos para exteriores.

Molde de clip de papel abierto en la máquina de moldeo; la boquilla es visible a la derecha

Las máquinas de moldeo por inyección constan de una tolva de material, un pistón de inyección o émbolo de tornillo y una unidad de calentamiento. [1] : 240 También conocidos como platos, sostienen los moldes en los que se dan forma a los componentes. Las prensas se clasifican por tonelaje, que expresa la cantidad de fuerza de sujeción que puede ejercer la máquina. Esta fuerza mantiene el molde cerrado durante el proceso de inyección. [15] El tonelaje puede variar desde menos de 5 toneladas hasta más de 9.000 toneladas, y las cifras más altas se utilizan en comparativamente pocas operaciones de fabricación. La fuerza de sujeción total necesaria está determinada por el área proyectada de la pieza que se está moldeando. Esta área proyectada se multiplica por una fuerza de sujeción de 1.8 a 7.2 toneladas por cada centímetro cuadrado de las áreas proyectadas. Como regla general, se pueden usar 4 o 5 toneladas / en 2 para la mayoría de los productos. Si el material plástico es muy rígido, se requiere más presión de inyección para llenar el molde y, por lo tanto, más tonelaje de sujeción para mantener el molde cerrado. [11] : 43–44 La fuerza requerida también se puede determinar por el material utilizado y el tamaño de la pieza. Las piezas más grandes requieren una mayor fuerza de sujeción. [12]

Moho o moho

Molde o matriz son los términos comunes que se utilizan para describir la herramienta utilizada para producir piezas de plástico en moldeo.

Dado que los moldes eran costosos de fabricar, por lo general solo se usaban en la producción en masa donde se producían miles de piezas. Los moldes típicos se construyen a partir de acero endurecido, acero preendurecido, aluminio y / o aleación de berilio-cobre . [16] : 176 La elección del material para construir un molde es principalmente una cuestión de economía; en general, los moldes de acero cuestan más de construir, pero su mayor vida útil compensa el mayor costo inicial sobre un mayor número de piezas fabricadas antes de desgastarse. Los moldes de acero preendurecido son menos resistentes al desgaste y se utilizan para requisitos de menor volumen o componentes más grandes; su dureza típica del acero es de 38 a 45 en la escala Rockwell-C . Los moldes de acero endurecido se tratan térmicamente después del mecanizado; estos son muy superiores en términos de resistencia al desgaste y vida útil. La dureza típica oscila entre 50 y 60 Rockwell-C (HRC). Los moldes de aluminio pueden costar sustancialmente menos, y cuando se diseñan y mecanizan con equipos informáticos modernos pueden resultar económicos para moldear decenas o incluso cientos de miles de piezas. El cobre de berilio se usa en áreas del molde que requieren una rápida eliminación del calor o áreas que ven la mayor cantidad de calor de cizallamiento generado. [16] : 176 Los moldes pueden fabricarse mediante mecanizado CNC o mediante procesos de mecanizado por descarga eléctrica .

  • Matriz de moldeo por inyección con tirones laterales
  • Lado "A" de la matriz para acetal relleno de vidrio al 25% con 2 tirones laterales.

  • Cierre del inserto extraíble en el lado "A".

  • Lado "B" de la matriz con actuadores de tiro lateral.

  • Insertar quitado de la matriz.

Diseño de moldes

Herramientas estándar de dos placas - el núcleo y la cavidad son insertos en una base de molde - "molde familiar" de cinco partes diferentes

El molde consta de dos componentes principales, el molde de inyección (placa A) y el molde eyector (placa B). Estos componentes también se conocen como moldeadores y fabricantes de moldes . La resina plástica ingresa al molde a través de un bebedero o compuerta en el molde de inyección; el casquillo del bebedero debe sellar herméticamente contra la boquilla del cilindro de inyección de la máquina de moldeo y permitir que el plástico fundido fluya desde el cilindro al interior del molde, también conocido como cavidad. [11] : 141 El casquillo del bebedero dirige el plástico fundido a las imágenes de la cavidad a través de canales mecanizados en las caras de las placas A y B. Estos canales permiten que el plástico corra a lo largo de ellos, por lo que se denominan corredores. [11] : 142 El plástico fundido fluye a través del canal y entra en una o más puertas especializadas y en la cavidad [17] : 15 geometría para formar la pieza deseada.

(A) Bebedero, (B) y (C) corredor y (D) compuertas en productos de moldeo por inyección reales para juguetes

La cantidad de resina necesaria para llenar el bebedero, el canal y las cavidades de un molde comprende una "inyección". El aire atrapado en el molde puede escapar a través de los orificios de ventilación que se muelen hacia la línea de separación del molde, o alrededor de los pasadores de expulsión y los toboganes que son un poco más pequeños que los orificios que los retienen. Si no se permite que escape el aire atrapado, se comprime por la presión del material entrante y se aprieta en las esquinas de la cavidad, donde evita el llenado y también puede causar otros defectos. El aire puede incluso comprimirse tanto que encienda y queme el material plástico circundante. [11] : 147

Para permitir la extracción de la pieza moldeada del molde, las características del molde no deben sobresalir entre sí en la dirección en que se abre el molde, a menos que las partes del molde estén diseñadas para moverse entre dichos voladizos cuando el molde se abre utilizando componentes llamados elevadores.

Lados de la pieza que aparecen paralelos a la dirección de estirado (el eje de la posición del núcleo (agujero) o inserto es paralelo al movimiento hacia arriba y hacia abajo del molde cuando se abre y se cierra) [17] : 406 típicamente tienen un ángulo leve , llamado borrador, para facilitar la liberación de la pieza del molde. Un tiro insuficiente puede provocar deformaciones o daños. El tiro requerido para el desmoldeo depende principalmente de la profundidad de la cavidad; cuanto más profunda es la cavidad, más tiro se necesita. La contracción también debe tenerse en cuenta al determinar el calado requerido. [17] : 332 Si la piel es demasiado delgada, entonces la pieza moldeada tiende a encogerse sobre los núcleos que se forman mientras se enfría y se adhiere a esos núcleos, o la pieza puede deformarse, torcerse, ampollarse o agrietarse cuando se retira la cavidad. [11] : 47

Por lo general, un molde se diseña de modo que la pieza moldeada permanezca de manera confiable en el lado del expulsor (B) del molde cuando se abre, y extrae el canal y el bebedero del lado (A) junto con las piezas. Luego, la pieza cae libremente cuando se expulsa del lado (B). Las compuertas de túnel, también conocidas como compuertas submarinas o de molde, están ubicadas debajo de la línea divisoria o de la superficie del molde. Se mecaniza una abertura en la superficie del molde en la línea de partición. La pieza moldeada se corta (por el molde) del sistema de corredera al expulsarla del molde. [17] : 288 Los pasadores expulsores, también conocidos como pasadores extractores, son pasadores circulares colocados en cualquier mitad del molde (generalmente la mitad del eyector), que empujan el producto moldeado terminado o el sistema de canal fuera de un molde. [11] : 143 La expulsión del artículo mediante alfileres, manguitos, decapantes, etc., puede provocar impresiones indeseables o deformaciones, por lo que se debe tener cuidado al diseñar el molde.

El método estándar de enfriamiento es hacer pasar un refrigerante (generalmente agua) a través de una serie de orificios perforados a través de las placas del molde y conectados por mangueras para formar una vía continua. El refrigerante absorbe el calor del molde (que ha absorbido el calor del plástico caliente) y mantiene el molde a una temperatura adecuada para solidificar el plástico a la velocidad más eficiente. [11] : 86

Para facilitar el mantenimiento y la ventilación, las cavidades y los núcleos se dividen en piezas, llamadas insertos y subconjuntos, también llamados insertos , bloques o bloques de persecución . Al sustituir los insertos intercambiables, un molde puede realizar varias variaciones de la misma pieza.

Las piezas más complejas se forman utilizando moldes más complejos. Estos pueden tener secciones llamadas diapositivas, que se mueven hacia una cavidad perpendicular a la dirección de dibujo, para formar características de la pieza sobresaliente. Cuando se abre el molde, los portaobjetos se separan de la pieza de plástico mediante el uso de "pasadores de ángulo" estacionarios en la mitad del molde estacionario. Estos pasadores entran en una ranura en las guías y hacen que las guías se muevan hacia atrás cuando se abre la mitad móvil del molde. A continuación, se expulsa la pieza y se cierra el molde. La acción de cierre del molde hace que las correderas se muevan hacia adelante a lo largo de los pasadores angulares. [11] : 268

Un molde puede producir varias copias de las mismas piezas en una sola "toma". El número de "impresiones" en el molde de esa pieza a menudo se denomina incorrectamente cavitación. Una herramienta con una impresión a menudo se denomina molde de impresión única (cavidad). [18] : 398 Un molde con dos o más cavidades de las mismas partes generalmente se denomina molde de impresión múltiple (cavidad). [18] : 262 Algunos moldes de volumen de producción extremadamente alto (como los de tapas de botellas) pueden tener más de 128 cavidades.

En algunos casos, las herramientas de múltiples cavidades moldean una serie de piezas diferentes en la misma herramienta. Algunos fabricantes de herramientas llaman a estos moldes moldes de la familia, ya que todas las piezas están relacionadas, por ejemplo, kits de modelos de plástico. [19] : 114

Algunos moldes permiten volver a insertar piezas previamente moldeadas para permitir que se forme una nueva capa de plástico alrededor de la primera pieza. Esto a menudo se denomina sobremoldeo. Este sistema puede permitir la producción de llantas y ruedas de una pieza.

Moldura de múltiples disparos
Teclas moldeadas por inyección de dos disparos desde un teclado de computadora

Los moldes de dos o múltiples disparos están diseñados para "sobremoldear" dentro de un solo ciclo de moldeo y deben procesarse en máquinas de moldeo por inyección especializadas con dos o más unidades de inyección. Este proceso es en realidad un proceso de moldeo por inyección que se realiza dos veces y, por lo tanto, tiene un margen de error mucho menor. En el primer paso, el material de color base se moldea en una forma básica, que contiene espacios para la segunda toma. Luego, el segundo material, de un color diferente, se moldea por inyección en esos espacios. Los botones pulsadores y las teclas, por ejemplo, fabricados mediante este proceso tienen marcas que no se pueden desgastar y permanecen legibles con un uso intensivo. [11] : 174

Almacenamiento de moldes

Los fabricantes hacen todo lo posible para proteger los moldes personalizados debido a sus altos costos promedio. Se mantiene el nivel perfecto de temperatura y humedad para garantizar la mayor vida útil posible para cada molde personalizado. Los moldes personalizados, como los que se utilizan para el moldeo por inyección de caucho, se almacenan en ambientes con temperatura y humedad controladas para evitar deformaciones.

Materiales de herramientas

A menudo se utiliza acero para herramientas. El acero dulce, el aluminio, el níquel o el epoxi son adecuados solo para prototipos o tiradas de producción muy cortas. [1] El aluminio duro moderno (aleaciones 7075 y 2024) con un diseño de molde adecuado puede fabricar fácilmente moldes con una vida útil de 100.000 piezas o más con el mantenimiento adecuado del molde. [20]

Inserto de berilio-cobre (amarillo) en molde de inyección para resina ABS

Mecanizado

Los moldes se fabrican mediante dos métodos principales: mecanizado estándar y electroerosión . El mecanizado estándar, en su forma convencional, ha sido históricamente el método de construcción de moldes de inyección. Con los avances tecnológicos, el mecanizado CNC se convirtió en el medio predominante para hacer moldes más complejos con detalles de molde más precisos en menos tiempo que los métodos tradicionales.

El proceso de mecanizado por descarga eléctrica (EDM) o electroerosión se ha vuelto ampliamente utilizado en la fabricación de moldes. Además de permitir la formación de formas difíciles de mecanizar, el proceso permite dar forma a los moldes preendurecidos para que no se requiera tratamiento térmico. Los cambios a un molde endurecido mediante taladrado y fresado convencionales normalmente requieren recocido para ablandar el molde, seguido de un tratamiento térmico para endurecerlo de nuevo. La electroerosión es un proceso simple en el que un electrodo conformado, generalmente de cobre o grafito, se baja muy lentamente sobre la superficie del molde durante un período de muchas horas, que se sumerge en aceite de parafina (queroseno). Un voltaje aplicado entre la herramienta y el molde provoca la erosión por chispa de la superficie del molde en la forma inversa del electrodo. [21]

Costo

El número de cavidades incorporadas en un molde se correlaciona directamente con los costos de moldeo. Menos cavidades requieren mucho menos trabajo de herramientas, por lo que limitar el número de cavidades reduce los costos de fabricación iniciales para construir un molde de inyección.

Como el número de cavidades juega un papel vital en los costos de moldeo, también lo hace la complejidad del diseño de la pieza. La complejidad se puede incorporar a muchos factores, como el acabado de la superficie, los requisitos de tolerancia, las roscas internas o externas, los detalles finos o el número de cortes que se pueden incorporar. [22]

Más detalles, como cortes o cualquier característica que necesite herramientas adicionales, aumentan el costo del molde. El acabado de la superficie del núcleo y la cavidad de los moldes influye aún más en el costo.

El proceso de moldeo por inyección de caucho produce un alto rendimiento de productos duraderos, lo que lo convierte en el método de moldeo más eficiente y rentable. Los procesos de vulcanización consistentes que implican un control preciso de la temperatura reducen significativamente todo el material de desecho.

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Explicación en video
Molde de inyección pequeña que muestra la tolva, la boquilla y el área de la matriz

Por lo general, los materiales plásticos se forman en forma de pellets o gránulos y se envían desde los fabricantes de materias primas en bolsas de papel. Con el moldeo por inyección, el plástico granular presecado se alimenta mediante un pistón forzado desde una tolva a un barril calentado. A medida que los gránulos se mueven lentamente hacia adelante mediante un émbolo de tipo tornillo, el plástico se fuerza a una cámara calentada, donde se derrite. A medida que avanza el émbolo, el plástico derretido pasa a través de una boquilla que se apoya contra el molde, lo que le permite ingresar a la cavidad del molde a través de un sistema de compuerta y canal. El molde permanece frío, por lo que el plástico se solidifica casi tan pronto como se llena. [1]

Ciclo de moldeo por inyección

La secuencia de eventos durante el molde de inyección de una pieza de plástico se denomina ciclo de moldeo por inyección. El ciclo comienza cuando se cierra el molde, seguido de la inyección del polímero en la cavidad del molde. Una vez que se llena la cavidad, se mantiene una presión de retención para compensar la contracción del material. En el siguiente paso, el tornillo gira y alimenta el siguiente disparo al tornillo frontal. Esto hace que el tornillo se retraiga mientras se prepara el siguiente disparo. Una vez que la pieza está lo suficientemente fría, el molde se abre y la pieza es expulsada. [23] : 13

Moldeado científico versus tradicional

Tradicionalmente, la parte de inyección del proceso de moldeo se realizaba a una presión constante para llenar y empacar la cavidad. Este método, sin embargo, permitió una gran variación en las dimensiones de un ciclo a otro. Más comúnmente utilizado ahora es el moldeo científico o desacoplado, un método iniciado por RJG Inc. [24] [25] [26] En esto, la inyección del plástico se "desacopla" en etapas para permitir un mejor control de las dimensiones de la pieza y más ciclos. consistencia de ciclo a ciclo (comúnmente llamado disparo a disparo en la industria). Primero, la cavidad se llena hasta aproximadamente un 98% de su capacidad mediante el control de velocidad (velocidad). Aunque la presión debería ser suficiente para permitir la velocidad deseada, las limitaciones de presión durante esta etapa son indeseables. Una vez que la cavidad está llena al 98%, la máquina cambia del control de velocidad al control de presión, donde la cavidad se "llena" a una presión constante, donde se requiere la velocidad suficiente para alcanzar las presiones deseadas. Esto permite a los trabajadores controlar las dimensiones de las piezas con una precisión de milésimas de pulgada o más. [27]

Diferentes tipos de procesos de moldeo por inyección.

Mango de cepillo de dientes moldeado en sándwich

Aunque la mayoría de los procesos de moldeo por inyección están cubiertos por la descripción del proceso convencional anterior, existen varias variaciones de moldeo importantes que incluyen, entre otras:

  • Fundición a presión
  • Moldeo por inyección de metal
  • Moldeo por inyección de pared delgada
  • Moldeo por inyección de caucho de silicona líquida [23] : 17-18
  • Moldeo por inyección de reacción
  • Moldeo por microinyección
  • Moldeo por inyección asistido por gas
  • Tecnología de molde de cubo

Puede encontrar una lista más completa de los procesos de moldeo por inyección aquí: [1] [28]

Como todos los procesos industriales, el moldeo por inyección puede producir piezas defectuosas. En el campo del moldeo por inyección, la resolución de problemas se realiza a menudo examinando las piezas defectuosas en busca de defectos específicos y abordando estos defectos con el diseño del molde o las características del proceso en sí. A menudo, las pruebas se realizan antes de la producción completa en un esfuerzo por predecir defectos y determinar las especificaciones apropiadas para usar en el proceso de inyección. [3] : 180

Cuando se llena un molde nuevo o desconocido por primera vez, donde se desconoce el tamaño de disparo de ese molde, un técnico / colocador de herramientas puede realizar una ejecución de prueba antes de una ejecución de producción completa. Comienzan con un pequeño peso de inyección y se llenan gradualmente hasta que el molde está lleno de un 95 a un 99%. Una vez que logran esto, aplican una pequeña cantidad de presión de retención y aumentan el tiempo de retención hasta que la puerta se congela (tiempo de solidificación). El tiempo de congelación de la puerta se puede determinar aumentando el tiempo de retención y luego pesando la pieza. Cuando el peso de la pieza no cambia, la compuerta se ha congelado y no se inyecta más material en la pieza. El tiempo de solidificación de la compuerta es importante, ya que determina el tiempo del ciclo y la calidad y consistencia del producto, que en sí mismo es un tema importante en la economía del proceso de producción. [29] La presión de mantenimiento se aumenta hasta que las piezas estén libres de lavabos y se haya alcanzado el peso de la pieza.

Defectos de moldeo

El moldeo por inyección es una tecnología compleja con posibles problemas de producción. Pueden deberse a defectos en los moldes o, más a menudo, al propio proceso de moldeo. [3] : 47–85

Los métodos como la tomografía computarizada industrial pueden ayudar a encontrar estos defectos tanto externa como internamente.

Tolerancias

La tolerancia depende de las dimensiones de la pieza. Un ejemplo de tolerancia estándar para una dimensión de 1 pulgada de una pieza de LDPE con un grosor de pared de 0,125 pulgadas es +/- 0,008 pulgadas (0,2 mm). [17] : 446

La potencia requerida para este proceso de moldeo por inyección depende de muchas cosas y varía entre los materiales utilizados. La Guía de referencia de procesos de fabricación establece que los requisitos de energía dependen de "la gravedad específica, el punto de fusión, la conductividad térmica, el tamaño de la pieza y la velocidad de moldeo de un material". A continuación se muestra una tabla de la página 243 de la misma referencia mencionada anteriormente que ilustra mejor las características relevantes para la potencia requerida para los materiales más comúnmente utilizados.

La automatización significa que el tamaño más pequeño de las piezas permite que un sistema de inspección móvil examine varias piezas más rápidamente. Además de montar sistemas de inspección en dispositivos automáticos, los robots de varios ejes pueden quitar piezas del molde y colocarlas para procesos posteriores. [30]

Los casos específicos incluyen la eliminación de piezas del molde inmediatamente después de que se crean las piezas, así como la aplicación de sistemas de visión artificial. Un robot agarra la pieza después de que los pasadores de expulsión se hayan extendido para liberar la pieza del molde. Luego los mueve a un lugar de espera o directamente a un sistema de inspección. La elección depende del tipo de producto, así como del diseño general del equipo de fabricación. Los sistemas de visión montados en robots tienen un control de calidad muy mejorado para las piezas moldeadas por inserción. Un robot móvil puede determinar con mayor precisión la precisión de colocación del componente metálico e inspeccionar más rápido que un humano. [30]

  • Molde de inyección de Lego , lado inferior

  • Molde de inyección de Lego, detalle de la parte inferior

  • Molde de inyección de Lego, lado superior

  • Molde de inyección de Lego, detalle de la parte superior

  • Diseño de componentes plásticos
  • Moldeado de espuma expandida por inyección directa
  • Moldeo por extrusión
  • Moldeo por inyección de núcleo fusible
  • Licuadora gravimétrica
  • Moldeo por inyección de hobby
  • Construcción de moldes de inyección
  • Moldeo por matriz
  • Moldeo por inyección de múltiples materiales
  • Moldeo por inyección de reacción
  • Moldeo rotacional
  • Fundición de uretano

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  • Contracción y deformación - Centro de diseño de ingeniería de la Universidad de Santa Clara