Prólogo: La industria del moldeo por inyección, en rápido crecimiento y altamente competitiva, está valorada en cientos de miles de millones de dólares, lo que lleva a los fabricantes a buscar formas más eficientes y rentables de mantener una ventaja competitiva.

La impresión 3D, también denominada fabricación aditiva, permite a estas empresas producir moldeo por inyección moldes y utillajes de forma más rápida y asequible que con los métodos tradicionales. Se puede afirmar que los moldes impresos en 3D están revolucionando el sector de la fabricación de moldes.

Según Intelligent Manufacturing Network News, la impresión 3D se considera una de las tecnologías de vanguardia con mayor potencial de desarrollo y amplias posibilidades de aplicación, casi omnipresente en todo el mundo.

En la actualidad, la utilización de la impresión 3D en la educación, la sanidad, la automoción, la industria aeroespacial y otros sectores está aumentando progresivamente, lo que demuestra su valor en la aplicación comercial. Por lo tanto, ¿cuál es la realidad detrás de los moldes de inyección impresos en 3D?

En este artículo, le presentaremos la verdad sobre los moldes de inyección de impresión 3D.

1. Breve descripción de la tecnología de impresión 3D

La impresión 3D (3DP) es un tipo de tecnología de prototipado rápido, también conocida como fabricación aditiva. Se basa en archivos de modelos digitales y utiliza materiales adhesivos, como metal en polvo o plástico, para construir estructuras mediante la impresión capa a capa.

Suele realizarse con impresoras de material de tecnología digital y se utiliza habitualmente para crear modelos en campos como la fabricación de moldes y el diseño industrial. Poco a poco se está empleando en la fabricación directa de algunos productos, con piezas que ya se imprimen con éxito con esta tecnología.

La impresión 3D se suele realizar con impresoras de material de tecnología digital. Se utiliza habitualmente para crear modelos en la fabricación de moldes, el diseño industrial y otros campos, y cada vez se emplea más en la fabricación directa de determinados productos. Ya se han impreso algunas piezas con esta tecnología

2. Moldeo por inyección

La técnica conocida como moldeo por inyección consiste en inyectar materiales plásticos calentados y fundidos en la cavidad del molde a alta presión, dejando que se enfríen y solidifiquen. Este método se emplea principalmente para la producción en serie. Un elemento central de este proceso es el molde de inyección, que produce con rapidez y precisión estructuras completas y dimensiones precisas para productos de plástico.

El proceso actual de fabricación de moldes, comúnmente denominado apertura de moldes, suele implicar un tratamiento mecánico. El proceso puede esquematizarse como sigue: Inicialmente, se genera un molde digital mediante software basado en el modelo 3D del producto final. Esto incluye la definición del número de cavidades, la ubicación de las compuertas y los sistemas de canalización necesarios para el molde. moldeo por inyección proceso.

Los componentes del molde se mecanizan con herramientas como CNC, fresadoras y tornos. Para conseguir mejores productos moldeados por inyección, el molde suele necesitar acabado y pulido final para mejorar la calidad de la superficie. Este proceso es laborioso, y el ciclo de producción típico de los moldes de inyección de precisión es de aproximadamente 20-25 días.

3. Molde de plástico de impresión 3D

Combinando materiales fuertes y resistentes a la temperatura con una impresora 3D de plástico (o polímero), las empresas pueden producir sus propios moldes de inyección internamente o encargarlos rápidamente a un proveedor de servicios. Los moldes de plástico impresos en 3D son adecuados para producir pequeñas cantidades de piezas (entre 100 y 10.000, según el material) y son bastante más rentables, con un precio 90% inferior al de los moldes de metal.

Si el presupuesto es limitado y el plazo de entrega corto, la impresión 3D en plástico es el método de fabricación de moldes preferido. También se utiliza ampliamente para la creación de prototipos, lo que permite a las empresas probar e iterar más rápidamente antes de pasar a las herramientas tradicionales para la producción en masa con mayor confianza.

Tecnologías y materiales utilizados

Tecnología 1: El modelado por deposición fundida (FDM) es la solución de impresión 3D más económica para la fabricación de moldes de plástico. Sin embargo, con este método pueden producirse capas visibles. Para conseguir la precisión deseada, es necesario eliminar las capas mediante un tratamiento químico o un esmerilado posterior. Además, estos moldes pueden mecanizarse con tolerancias más estrictas.

Tecnología 2: La impresión 3D en resina, incluida la estereolitografía (SLA) y el procesamiento digital de la luz (DLP), son las tecnologías más populares porque producen moldes con un acabado superficial más fino que requieren menos procesamiento posterior.

Tecnología Tres: El sinterizado selectivo por láser (SLS) es una tecnología que utiliza materiales poliméricos en polvo y un láser para proporcionar moldes de gran calidad superficial y resistencia, a menudo fabricados con nailon reforzado.

Cuando se trata de impresión 3D, hay una amplia gama de plásticos entre los que elegir. Sin embargo, no todos los materiales pueden soportar las altas presiones y temperaturas del moldeo por inyección. La elección del material depende de factores como la temperatura de fusión del plástico, la presión de inyección de la máquina y el volumen de piezas necesario.

Los materiales más utilizados son PETG, polipropileno (PP), resina de moldeo, nailon (PA), nailon con fibra de carbono, etc. Sin embargo, normalmente sólo pueden soportar entre decenas y cientos de ciclos de moldeo por inyección. Para series de producción de gran volumen que requieran miles de piezas, en la mayoría de los casos se sigue prefiriendo el metal al plástico.

Casos típicos de aplicación

PepsiCo se asoció con Henkel Loctite Nexa3D para crear insertos para moldes utilizando material de resina xPEEK147 y una impresora 3D Nexa3D NXE 400. A continuación, estos insertos se integran con componentes de moldes metálicos tradicionales. El molde completo puede fabricarse ahora en sólo 12 horas, dedicando 8 horas a la impresión 3D y 4 horas al postprocesado y curado.

El tiempo de desarrollo de moldes prototipo se ha reducido drásticamente de 4 semanas a sólo 48 horas, una mejora significativa de la eficiencia. Además, el coste de cada juego de moldes ha experimentado un descenso sustancial, pasando de $10.000 a $350. Estos innovadores moldes de fabricación híbrida han demostrado su capacidad para producir más de 10.000 botellas sin ningún fallo, lo que supone un ahorro potencial de costes de hasta 96% en comparación con los moldes metálicos tradicionales.

En el ámbito de la moldeo por inyecciónEl principal factor de coste reside en la fabricación del molde. Se destacan los entresijos de recuperar el coste de producción del molde únicamente mediante la producción en serie y la venta de productos. Se hace hincapié en que para los productos con ciclos de vida cortos o demanda limitada, la inversión en utillaje mecanizado puede no ser financieramente viable. En tales escenarios, optar por la fabricación de moldes mediante impresión 3D se presenta como una alternativa más ventajosa.

Este cambio hacia la impresión 3D no sólo proporciona una solución rentable, sino que también permite una mayor flexibilidad en la personalización de productos y la producción de lotes pequeños. Se anima a los fabricantes a aprovechar este enfoque para ampliar su oferta de productos dentro de parámetros rentables. La capacidad de producción acelerada de los moldes impresos en 3D permite a los fabricantes responder rápidamente a la demanda de nuevos productos por parte de los clientes, lo que se traduce en un desarrollo y una producción eficientes de productos en tiradas cortas.

4. Molde metálico de impresión 3D

Los factores que impulsan el aumento de la utilización de moldes metálicos impresos en 3D difieren significativamente de las ventajas de los moldes de plástico impresos en 3D. Contrariamente a la creencia popular, hay casos en los que los moldes metálicos impresos en 3D pueden ser más caros y su creación puede llevar más tiempo que la de los moldes metálicos convencionales. La ventaja no reside en la fabricación de los moldes, sino en la rentabilidad de producir todo el producto utilizando moldes impresos en 3D.

Tecnologías y materiales utilizados

La impresión 3D de metales permite crear moldes para la producción de productos finales y prototipos con detalles intrincados, lo que permite a los fabricantes agilizar el proceso tradicional de fabricación de moldes y reducir la necesidad de maquinistas cualificados.

Una técnica habitual es la fusión selectiva por láser (SLM), un método clave en la fabricación aditiva de materiales metálicos. Aunque la SLM puede conseguir detalles finos, a menudo es necesario un mecanizado adicional. Dados los costes y las velocidades de procesamiento actuales, es poco probable que la impresión 3D de metales sustituya por completo el mecanizado de las herramientas de moldeo por inyección, sino que sirva como herramienta complementaria para acelerar la producción global.

Otra tecnología de impresión 3D, la deposición directa de energía (DED), utiliza un láser para crear un baño de fusión en la zona de deposición y desplazarlo rápidamente. El material, ya sea en forma de polvo o de filamento, se introduce directamente en la zona de fusión a alta temperatura y se deposita capa por capa tras la fusión. Este método permite crear moldes metálicos con diversos materiales metálicos. Por ejemplo, se puede aplicar una capa de acero inoxidable sobre un sustrato de cobre puro para combinar una alta conductividad térmica con resistencia al desgaste.

Requerido en herramientas de moldeo por inyección.

Las piezas metálicas impresas en 3D suelen requerir un procesamiento adicional, lo que ha dado lugar a un aumento de las máquinas híbridas que combinan la impresión 3D y las funciones CNC. La máquina TrueShape, desarrollada por Mantle, una startup de impresión 3D en metal, ejemplifica esta tendencia.

El proceso comienza con la impresión en 3D de un molde metálico con pasta de acero extrudible para herramientas. A continuación, se utilizan máquinas CNC de precisión para perfeccionar el molde con tolerancias exactas antes de sinterizarlo en un horno de alta temperatura.

Casos típicos de aplicación

La impresión 3D está provocando una revolución en la industria de fabricación de moldes al permitir la creación de moldes con intrincados canales de refrigeración conformados. Estos canales desempeñan un papel crucial en la moldeo por inyección herramientas al facilitar un enfriamiento más rápido y uniforme de las piezas.

Dado que la fase de enfriamiento suele consumir entre 70% y 80% del tiempo total del ciclo, cualquier reducción de esta fase a lo largo de la vida útil del molde puede suponer un ahorro sustancial de costes para los fabricantes. Además, un enfriamiento eficaz influye significativamente en la precisión dimensional, el acabado superficial y las propiedades mecánicas del producto final.

Las técnicas de mecanizado tradicionales consisten en añadir canales de refrigeración al molde mediante taladrado recto. Sin embargo, a medida que aumenta la complejidad de la geometría de la pieza, conseguir una refrigeración precisa a lo largo de los contornos del molde resulta cada vez más difícil. Esto puede convertir la producción tradicional de piezas complejas en una tarea ardua y costosa.

En comparación con los procesos tradicionales, la impresión 3D puede crear canales de refrigeración curvos dentro del molde que se adaptan a la geometría de la pieza y proporcionan refrigeración donde más se necesita para mejorar la calidad de la pieza y reducir el tiempo de refrigeración hasta 70%.

Un buen ejemplo es Yijia, un fabricante de tazas tridimensionales. Anteriormente, las tazas producidas mediante moldeo por inyección tradicional presentaban una baja transparencia y un moldeo por inyección ineficaz. Esta ineficacia se debía a los moldes para tazas fabricados con la tecnología CNC tradicional, que solo podía procesar canales de refrigeración verticales, por lo que no conseguía enfriar adecuadamente el molde.

Con la impresora 3D Eplus3D EP-M250 SLM pueden fabricarse complejos moldes metálicos de canal de refrigeración conformado. El ahuecado final ahora sólo requiere 16,63 segundos para alcanzar la temperatura óptima para la inyección. En cambio, los moldes tradicionales tardan 22,97 segundos, lo que supone un ahorro de tiempo de más de 6 segundos y un aumento de la eficacia de la inyección de aproximadamente 26%.

Las ventajas de incorporar canales de refrigeración conformados mediante impresión 3D son evidentes en varios sectores de la fabricación de moldes. Pensemos, por ejemplo, en los cigarrillos electrónicos. Guangdong Moko afirma: "En los últimos tres años, nuestro conocimiento de los materiales PCTG se ha profundizado significativamente, sobre todo en los cigarrillos electrónicos.

La utilización de este material junto con la tecnología de impresión 3D ejemplifica un enfoque único que se desvía de los métodos convencionales". Esto subraya el papel fundamental de la impresión 3D a la hora de revolucionar el sector de los moldes, ya que aborda eficazmente retos inalcanzables por medios tradicionales.

5. Ventajas de la impresión 3D de moldes de inyección

Ciclo de producción de moldes acortado

La impresión 3D de moldes acorta significativamente el ciclo de desarrollo de productos, impulsando la innovación. Anteriormente, las empresas han optado en ocasiones por posponer o renunciar a las actualizaciones de diseño de productos debido a la importante inversión necesaria para fabricar nuevos moldes. Al reducir el plazo de producción de los moldes y permitir actualizaciones rápidas de las herramientas de diseño existentes, la impresión 3D permite a las empresas permitirse cambios y mejoras más frecuentes de los moldes. Esta capacidad garantiza que el ciclo de diseño del molde se alinee con el ciclo de diseño del producto.

Además, algunas empresas han invertido en sus propios equipos de impresión 3D para producir moldes, lo que acelera aún más el desarrollo de productos al tiempo que mejora la flexibilidad y la adaptabilidad. Este enfoque estratégico refuerza la resistencia de la cadena de suministro frente a riesgos como la prolongación de los plazos y el estancamiento del desarrollo, evitando así la adquisición de moldes inadecuados a los proveedores.

Reducción de los costes de fabricación

Si el coste actual de la impresión 3D en metal es superior al de los procesos tradicionales de fabricación en metal, entonces es más fácil conseguir reducciones de costes en el campo de los productos de plástico.

Los moldes metálicos impresos en 3D ofrecen ventajas económicas en la producción de series pequeñas y discontinuas de productos finales (ya que los costes fijos de estos productos son difíciles de amortizar) o para geometrías específicas optimizadas para la impresión en 3D, lo que proporciona beneficios económicos aún mayores. Esta ventaja se hace especialmente evidente cuando los materiales utilizados son extremadamente costosos, y la fabricación tradicional de moldes da lugar a elevadas tasas de desecho de material, donde la impresión 3D puede ofrecer una ventaja de costes.

Además, la capacidad de la impresión 3D para producir moldes precisos en cuestión de horas puede tener un impacto significativo en los procesos de fabricación y la rentabilidad, especialmente en escenarios en los que el tiempo de inactividad de la producción o el mantenimiento de inventarios de herramientas son costosos.

A veces, ocurre con frecuencia que el molde requiere modificaciones una vez iniciada la producción. La adaptabilidad de la impresión 3D permite a los ingenieros probar numerosas iteraciones al mismo tiempo, lo que reduce los gastos iniciales derivados de las modificaciones del diseño del molde.

Las mejoras en el diseño de moldes añaden más funcionalidad a los productos finales

La metalurgia única que interviene en la impresión 3D de metales suele mejorar la microestructura del metal, lo que da lugar a piezas impresas totalmente densas que poseen propiedades mecánicas y físicas comparables o incluso superiores a las de los materiales forjados o fundidos (en función del tratamiento térmico y la orientación de las pruebas). La fabricación aditiva ofrece a los ingenieros un sinfín de posibilidades para mejorar el diseño de moldes.

En los casos en los que la pieza prevista consta de varios subcomponentes, la impresión 3D permite una integración perfecta del diseño, lo que reduce el número de piezas necesarias. Esto agiliza el proceso de montaje del producto y minimiza las tolerancias.

Además, puede integrar funciones de producto complejas, permitiendo una fabricación más rápida de productos finales de alta funcionalidad con menos defectos. Por ejemplo, la calidad general de una pieza moldeada por inyección depende de las condiciones de transferencia de calor entre el material inyectado y el fluido refrigerante que circula por el utillaje. Cuando se fabrican con métodos tradicionales, los canales que dirigen el material refrigerante suelen ser rectos, lo que provoca un efecto de refrigeración más lento y desigual en la pieza moldeada.

La impresión 3D permite crear canales de refrigeración de cualquier forma para facilitar la refrigeración conformada, que es más optimizada y uniforme, lo que en última instancia se traduce en piezas de mayor calidad y menores tasas de desechos. Además, una disipación más rápida del calor reduce significativamente la duración del ciclo de moldeo por inyección, ya que el periodo de refrigeración suele representar hasta 70% de todo el ciclo de moldeo. moldeo por inyección ciclo.

Optimizar las herramientas para que sean más ergonómicas y mejoren el rendimiento mínimo

La impresión 3D reduce significativamente las barreras para validar nuevas herramientas que satisfagan necesidades no cubiertas en la fabricación, permitiendo la producción de dispositivos móviles y fijos adicionales. Históricamente, las herramientas y los dispositivos relacionados se han diseñado para tener la máxima longevidad, dados los considerables costes y esfuerzos que conllevan su rediseño y fabricación. Aprovechando la tecnología de impresión 3D, las empresas pueden renovar cualquier herramienta en cualquier momento, sin limitarse a las consideradas obsoletas e inadecuadas para el trabajo.

Con una inversión inicial y de tiempo mínima, la impresión en 3D hace que sea más rentable ajustar las herramientas para mejorar el rendimiento marginal. En consecuencia, los técnicos pueden tener en cuenta consideraciones ergonómicas durante la fase de diseño para mejorar la comodidad operativa, reducir la duración del procesamiento y agilizar el uso y el almacenamiento.

Aunque es posible que estas mejoras sólo resten unos segundos a las operaciones de montaje, el impacto acumulado puede ser significativo. Además, la optimización del diseño de las herramientas también puede reducir la tasa de piezas desechadas, lo que contribuye a la eficiencia operativa general.

6. Desventajas de la impresión 3D de moldes de inyección

Defectos de contracción en moldes impresos

Como todas las piezas impresas en 3D, los moldes pueden sufrir diversos defectos, como alabeos causados por la contracción durante el enfriamiento. Cuando el molde se deforma, pueden surgir problemas al trabajar con productos que exigen tolerancias elevadas.

Problemas de integridad estructural

Los moldes de plástico impresos en 3D son menos estables que los de metal cuando se trata de soportar las altas temperaturas y presiones del proceso de moldeo por inyección. La débil integridad estructural del molde puede provocar problemas como la degradación de las compuertas del molde y las líneas de soldadura, lo que lo hace inadecuado para la producción de grandes volúmenes.

La experimentación requiere residuos

Cuando uno mismo imprime un molde en 3D, es típico que se generen algunos residuos de plástico antes de conseguir el producto deseado. A pesar de la versatilidad de la impresión 3D para refinar diseños, es posible que ciertas imperfecciones sólo aparezcan en las etapas finales, lo que provoca un mayor desperdicio. Es esencial destacar que estos residuos son reciclables.

El efecto de impresión está limitado por el material

Aunque las industrias de gama alta pueden imprimir plásticos, ciertos metales o cerámicas, el reto actual reside en imprimir materiales que son a la vez caros y escasos. La industria en su conjunto necesita mejorar la estabilidad y la facilidad de uso de los materiales, además de enfrentarse a cuellos de botella en la investigación y el desarrollo de nuevos materiales. Además, algunos equipos de impresión 3D aún no han alcanzado un nivel de madurez, lo que dificulta su capacidad para admitir la amplia gama de materiales que se encuentran en la vida cotidiana.

¿Es el producto acabado resistente y duradero?

Aunque las casas y los coches pueden "imprimirse", ¿pueden resistir el viento y la lluvia y circular sin problemas por la carretera? Actualmente, la impresión 3D utiliza materiales poliméricos, cada uno con su punto de fusión y propiedades fluidas. La combinación de distintos materiales en la impresión 3D plantea problemas, lo que provoca deficiencias como la gran fragilidad del producto final.

Cuestiones de propiedad intelectual

En la era actual de creciente conciencia jurídica, la gente pone más énfasis en salvaguardar los derechos de propiedad intelectual en los sectores de la música, el cine y la televisión. La llegada de la tecnología de impresión 3D complica aún más esta cuestión, ya que la preocupación por la infracción de los derechos de autor y el uso de falsificaciones es cada vez mayor.

La necesidad de establecer la legitimidad de los derechos de autor de los productos impresos en 3D y evitar su reproducción no autorizada se ha convertido en un reto crucial para el avance de la industria. La formulación de marcos jurídicos por parte de las autoridades pertinentes que regulen la impresión 3D es esencial para salvaguardar los derechos de propiedad intelectual y determinar el uso responsable de esta tecnología innovadora.

Factores ambientales difíciles de superar

En la sala de impresión 3D, problemas como una purificación insuficiente del aire, huecos en la máquina e impurezas mezcladas en los materiales de polvo metálico pueden provocar variaciones en el contenido de oxígeno. Esto puede afectar negativamente a las propiedades mecánicas de las piezas impresas e incluso provocar cambios en su composición química. Por tanto, detectar el contenido de oxígeno en la sala de impresión es crucial.

7.Conclusión

El impacto de la impresión 3D en la industria manufacturera ha sido profundo. Las piezas prototipo que antes costaban cientos de dólares y tardaban semanas en producirse ahora pueden diseñarse por la mañana, imprimirse durante la noche y entregarse a los clientes al día siguiente. Algunas empresas ya han empezado a utilizar procesos de impresión 3D para fabricar moldes de inyección.

Atrás quedaron los días en los que había que esperar meses para la producción de moldes o hacer frente a costes sustanciales por modificaciones de moldes debidas a cambios de diseño posteriores. Con la impresión 3D, los moldes pueden fabricarse rápidamente, ya sea para la verificación de moldes o para la producción de pequeños lotes de piezas moldeadas por inyección.

La verdad sobre los moldes de inyección impresos en 3D reside en sus sutiles ventajas y limitaciones. Aunque el ciclo de producción del molde se acorta y los costes de fabricación se reducen, las mejoras en el diseño del molde añaden más funcionalidad al producto final. Las herramientas optimizadas son más ergonómicas y mejoran el rendimiento mínimo, mientras que los moldes personalizados ayudan a conseguir un producto final a medida.

Sin embargo, existen retos, como los defectos de contracción en el molde de impresión, los problemas de integridad estructural, el despilfarro en los experimentos, las limitaciones en los efectos de impresión debidas a los materiales, las preocupaciones sobre la resistencia y durabilidad del producto acabado, las inquietudes sobre la propiedad intelectual y las dificultades para abordar los factores medioambientales.

Por tanto, los moldes de inyección impresos en 3D pueden ser una herramienta valiosa en el arsenal de fabricación, sobre todo para iteraciones rápidas y aplicaciones especializadas, pero no es una solución universal. Cada proyecto exige una cuidadosa consideración de sus requisitos únicos y de las capacidades de la tecnología de impresión 3D.