Molde de inyección impreso en 3D: descripción general de la impresión 3D para el moldeo por inyección

Los moldes impresos en 3D para el moldeo por inyección son cada vez más populares en la industria manufacturera. Constituyen una gran incorporación a la cartera de procesos de moldeo por inyección y ofrecen una alternativa competitiva a los materiales tradicionales de los moldes de inyección.

En este artículo, analizaremos qué es un molde de inyección impreso en 3D, así como sus tipos, ventajas y limitaciones. Al final, también compartiremos algunos consejos y trucos útiles para diseñadores e ingenieros de moldes. ¡Comencemos!

¿Qué es un molde de inyección?

Los moldes de inyección son, sin duda, el componente más importante en las configuraciones de moldeo por inyección. El molde es un conjunto de varias piezas con una cavidad en su interior que es una réplica exacta de la geometría final del producto.

Un sistema de inyección bombea la materia prima fundida hacia esta cavidad, donde se enfría para adoptar su forma final. Después, un mecanismo de inyección, que también está dentro del molde, expulsa la pieza final. Por lo tanto, el molde de inyección cumple el propósito principal de dar forma a la pieza y también expulsarla.

Existen numerosas propiedades que debe poseer un molde de inyección de alta calidad. Debe tener buena estabilidad térmica para minimizar la expansión térmica, alta resistencia para soportar las presiones de cierre y buena resistencia al desgaste para su durabilidad.

Molde impreso en 3D vs. molde de aluminio

Convencionalmente, el aluminio ha sido la elección de material estándar para la fabricación de moldes de inyección de producción de volumen bajo a medio. Sin embargo, los moldes impresos en 3D para el moldeo por inyección están ganando terreno rápidamente gracias a numerosas ventajas como el ahorro de costos y la flexibilidad de diseño.

La principal diferencia entre un molde impreso en 3D y un molde de aluminio es cómo se fabrican. El principal proceso de fabricación de los moldes de aluminio es el mecanizado CNC. Los moldes impresos en 3D, por otro lado, se fabrican mediante impresión 3D, por supuesto.

Puede parecer una diferencia trivial, pero en realidad es bastante significativa y merece una discusión sobre molde impreso en 3D vs. molde de aluminio.

Sin embargo, primero repasemos los dos tipos principales de moldes de inyección impresos en 3D.

Molde reforzado con estructura metálica

Este tipo de molde de inyección toma elementos tanto de los moldes de aluminio como de los moldes impresos en 3D. La estructura interna básica, que incluye la cavidad y los canales, se imprime en 3D. Esta impresión 3D se coloca luego dentro de una estructura de aluminio para mayor estabilidad y durabilidad.

El refuerzo de la estructura de aluminio permite mayores presiones de moldeo y prolonga la vida útil del molde. Los ingenieros también pueden reemplazar fácilmente los componentes del molde impreso en 3D en caso de cambios de diseño o desgaste.

Moldes independientes

Los moldes independientes se fabrican íntegramente mediante impresión 3D. Como la impresión 3D es cada vez más robusta muy rápidamente, el molde impreso en 3D independiente está ganando popularidad en la industria del moldeo por inyección.

Una gran ventaja de los moldes independientes es que los ingenieros obtienen flexibilidad de diseño adicional para características como canales de inyección, compuertas, etc.

Ventajas de los moldes de inyección impresos en 3D

Los moldes impresos en 3D para el moldeo por inyección disfrutan de numerosas ventajas sobre sus homólogos metálicos. Destacaremos algunas de las principales ventajas de utilizar un molde impreso en 3D.

Rentable

No es ningún secreto que la gestión de costos es una parte importante de una fabricación eficiente. Un molde impreso en 3D es significativamente más económico que los moldes metálicos.

Las máquinas herramienta CNC suelen ser costosas y requieren un mantenimiento caro. Las impresoras 3D, por otro lado, son máquinas más económicas y fáciles de mantener. El costo de la impresión 3D de las materias primas también es menor que el de los metales de moldeo por inyección.

Los costos de mano de obra también difieren para ambos métodos. Las máquinas CNC son equipos complejos y requieren un maquinista cualificado para operarlas. Las impresoras 3D, aunque no son un paseo por el parque, siguen siendo más accesibles para un grupo más amplio de técnicos.

Ahorro de tiempo

Otro aspecto importante de la alta productividad en la fabricación es la gestión del tiempo. Una gran ventaja de utilizar un molde impreso en 3D frente a un molde de aluminio es el notable ahorro de tiempo durante el proceso de fabricación del molde.

El mecanizado CNC es un proceso que consume mucho tiempo, y a veces tarda hasta una semana en fabricar completamente un molde de inyección complicado. El proceso de impresión 3D es mucho más rápido y tiene menos pasos que el mecanizado. El tiempo promedio de fabricación de moldes es del orden de unas pocas horas, lo que da a los moldes impresos en 3D una ventaja evidente.

Flexibilidad de diseño

La impresión 3D es conocida por su capacidad de prototipado rápido. Es rápida, económica y permite a los ingenieros probar diversas iteraciones de diseño.

La misma lógica se extiende a la impresión 3D de moldes para el moldeo por inyección. Los diseñadores de moldes pueden eliminar rápidamente cualquier error o defecto en el diseño del molde. Además, también es muy conveniente incorporar mejoras del producto a la línea de fabricación: todo lo que se necesita es una simple reimpresión.

Este tipo de libertad de diseño no es asequible con el mecanizado CNC, donde incluso una sola producción representa una fuerte carga para el presupuesto.

Adecuado para moldeo por inyección de bajo volumen

Los moldes impresos en 3D son muy adecuados para iniciativas de producción de bajo volumen. Como analizaremos en breve, aunque poseen notables propiedades mecánicas, tienden a desgastarse más rápidamente que sus homólogos metálicos con el tiempo.

Esto los hace ideales para tiradas de producción en las que se fabrica un número pequeño o mediano de piezas. En tales configuraciones, invertir en un molde metálico costoso es ineficiente, ya que el molde queda infrautilizado al final de la tirada de producción.

Además, la producción de bajo volumen, en promedio, se centra más en el desarrollo y las pruebas del producto. El diseño puede cambiar a mitad de la producción si se requiere una actualización o se encuentra un error. En este escenario, un molde impreso en 3D es ideal, ya que actualizarlo es rentable y ahorra tiempo.

Limitaciones de los moldes de inyección impresos en 3D

Los pros y los contras van de la mano. Por lo tanto, esta discusión estaría incompleta si ignoramos los inconvenientes de un molde de inyección impreso en 3D.

Baja integridad estructural

La impresión 3D avanza muy rápido, pero todavía va por detrás de procesos de fabricación convencionales como el mecanizado CNC en algunos aspectos. Tiene varios problemas de calidad inherentes, como la porosidad y la falta de adhesión, que reducen la integridad estructural de los moldes impresos en 3D para el moldeo por inyección.

Generalmente, un molde impreso en 3D tiene menor resistencia, dureza y resistencia al desgaste (de ahí la necesidad de refuerzos de aluminio). Tienden a fallar bajo temperaturas y presiones extremas, que a veces son necesarias para lograr productos de moldeo por inyección de alta calidad.

Como resultado, en algunos casos, los moldes impresos en 3D no son un sustituto adecuado de los moldes de aluminio fundido/forjado.

Desgaste superficial

Los moldes impresos en 3D para el moldeo por inyección no son tan resistentes al desgaste como los moldes metálicos. Su calidad superficial se deteriora más rápido que la del aluminio bajo las altas temperaturas y presiones del moldeo por inyección. Esto se traslada también a la superficie del producto.

Además de esto, la impresión 3D de moldes es un proceso de fabricación capa por capa. Debido a esto, los moldes de inyección impresos en 3D tienen un patrón superficial ondulado (también conocido como efecto de escalonamiento) que aumenta la rugosidad superficial de las piezas de moldeo por inyección.

Una solución común es utilizar métodos de acabado superficial como el limado, el esmerilado o el tratamiento químico para mejorar la calidad superficial del molde. Sin embargo, es un desafío realizar estas operaciones en un molde pequeño con geometría compleja, lo cual es bastante frecuente en los moldes impresos en 3D.

Ciclo de producción largo

El tiempo de enfriamiento comprende una gran parte del ciclo de producción del moldeo por inyección. Dado que los metales generalmente tienen una mayor conductividad térmica que los materiales plásticos utilizados en los moldes impresos en 3D, la materia prima fundida tarda más en solidificarse cuando está dentro de un molde impreso en 3D que en un molde de aluminio.

Debido a esto, aconsejamos a los ingenieros de moldes que calculen el tiempo de enfriamiento previsto para sus diseños de molde de inyección antes de decidir el proceso de fabricación.

Contracción y alabeo

La contracción y el alabeo son dos defectos comunes de la impresión 3D que afectan la calidad de un molde de inyección impreso en 3D. Los plásticos son muy sensibles al calor y son propensos a deformarse (alabearse) durante el moldeo por inyección.

A medida que el propio molde se deforma, la forma de su cavidad cambia, afectando las dimensiones finales de la pieza.

En la mayoría de los casos, los diseñadores de moldes pueden mitigar este problema incorporando las tolerancias de contracción adecuadas en sus moldes. Sin embargo, en el caso de los moldes impresos en 3D, estas tolerancias son difíciles de predecir debido al comportamiento no uniforme de las estructuras impresas en 3D.

Consejos y trucos para moldes de inyección impresos en 3D

Esperamos que la información anterior sobre los moldes de inyección impresos en 3D para el moldeo por inyección haya ampliado su conocimiento sobre el tema.

En esta sección, compartiremos algunos consejos y trucos útiles de nuestros expertos en diseño que le ayudarán a mejorar sus habilidades de diseño de moldes.

Mejore la conductividad térmica con materiales compuestos

Una alta conductividad térmica mejora el tiempo de enfriamiento en el moldeo por inyección. En el mercado hay disponibles varios aditivos que aumentan la conductividad, como el grafeno, el nitruro de boro, las cargas metálicas (polvo de cobre, escamas de aluminio), etc.

Recubrimiento superficial

La mala resistencia al desgaste es un inconveniente importante de la impresión 3D de moldes. Los recubrimientos superficiales adecuados, como el metal o la cerámica, son muy útiles para mejorar las propiedades superficiales de los moldes de inyección impresos en 3D.

Evite las estructuras de soporte en las caras internas críticas

La mayoría de las técnicas de impresión 3D utilizan estructuras de soporte para sostener la pieza durante la impresión. Dejan una marca en la pieza después de que el técnico de acabado las retira. Tenga cuidado de no tener ninguna de estas estructuras de soporte en las caras que forman la cavidad del molde, ya que sus marcas residuales aparecerán también en la pieza.

Disminuya el espesor de capa y la velocidad de impresión para un mejor acabado superficial

El acabado superficial de un molde impreso en 3D depende de los parámetros de espesor de capa y velocidad de impresión de la impresora 3D. Mantenga estos ajustes bajos para obtener un acabado superficial de impresión 3D más fino.

Los ángulos de desmoldeo son ligeramente más altos que en los moldes de aluminio

Las estructuras impresas en 3D requieren mayores ángulos de desmoldeo en el molde debido a sus diferentes propiedades de material. Los expertos sugieren incluir un ángulo de desmoldeo promedio de 3° para las caras verticales del molde de inyección.

La ventilación es clave

Las bolsas de aire tienden a desarrollarse dentro de las cavidades del molde y disminuyen la calidad superficial. Es bueno tener respiraderos de aire poco profundos ligeramente por debajo de la superficie de la cavidad para evitar este problema.

Métodos y materiales de impresión 3D para fabricar moldes

En esta última sección, presentamos brevemente algunas técnicas y materiales de impresión 3D adecuados para la impresión 3D de moldes.

Métodos comunes de impresión 3D

• Estereolitografía (SLA)
• Modelado por deposición fundida (FDM)
• Inyección de material (Material Jetting)
• Sinterización selectiva por láser (SLS)

Materiales comunes de impresión 3D

• ABS (acrilonitrilo butadieno estireno)
• PETG (tereftalato de polietileno)
• PP (polipropileno)
• Nailon
• Elastómeros termoplásticos (TPE)

Conclusión

Con esto concluye nuestra discusión sobre el interesante tema de los moldes impresos en 3D para el moldeo por inyección. Los moldes impresos en 3D son una alternativa emergente a los moldes de aluminio que ofrece ventajas como el ahorro de costos y tiempo, así como flexibilidad de diseño, y son excelentes para la producción de bajo volumen.

Algunas de sus desventajas incluyen la baja integridad estructural y la resistencia al desgaste en comparación con los moldes metálicos, pero existen soluciones especializadas para eliminar estos problemas.

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Preguntas frecuentes

¿Qué tan costosos son los moldes impresos en 3D frente a los moldes metálicos?

Los moldes de impresión 3D son relativamente económicos en comparación con los moldes metálicos. Normalmente, un molde de impresión 3D cuesta menos de $200. Un molde metálico cuesta fácilmente $5,000 o más. Para una configuración de bajo volumen, los moldes impresos en 3D son una opción clara.

¿Cuál impresión 3D común es la mejor para los moldes de inyección?

Comparando solo FDM, SLS y SLA, sugerimos utilizar SLA para producir moldes de inyección. Los productos SLA son robustos, lisos y precisos. Los moldes FDM enfrentan problemas de desmoldeo y no son tan lisos como los moldes SLA. Comúnmente se reportan problemas similares con los productos SLS.

¿Cómo mejorar el tiempo de enfriamiento de un molde de inyección impreso en 3D?

Los moldes impresos en 3D no se enfrían tan rápido como los moldes metálicos debido a su baja conductividad térmica. Un buen consejo es utilizar aire comprimido para aumentar la transferencia de calor por convección, o puede utilizar pilas intercambiables.