Prólogo: El sector del moldeo por inyección, altamente competitivo y en rápido crecimiento, mueve cientos de miles de millones de dólares, lo que obliga a los fabricantes a buscar métodos más eficaces y económicos para mantenerse a la vanguardia. También conocida como fabricación aditiva, la impresión 3D ayuda a los fabricantes a crear mejores moldes de inyección y utillaje de forma más rápida y barata que los procesos tradicionales. Este artículo explica principalmente por qué debería elegir la impresión 3D para moldes.

Ventajas y desventajas de la impresión 3D de moldes metálicos

¿Cómo imprimir moldes metálicos en 3D?

La impresión 3D amplía la gama de materiales disponibles, utiliza el sinterizado láser para construir capas y transforma el dibujo CAD en el producto tridimensional definitivo.

¿Cuáles son las ventajas de los moldes metálicos definidos en 3D?

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

El método metalúrgico especial empleado en la impresión 3D de metales puede mejorar la microestructura del metal y crear piezas impresas totalmente densas. Este método permite integrar funciones de producto complejas, lo que facilita la fabricación de productos finales altamente funcionales de una manera más eficiente y con menos defectos.

Por ejemplo, la calidad de una pieza moldeada por inyección depende en gran medida de las condiciones de transferencia de calor entre el material inyectado y el fluido refrigerante que circula por el utillaje. Los procesos de fabricación tradicionales suelen presentar canales rectos para el material refrigerante, lo que provoca un efecto de enfriamiento más lento y desigual en la pieza moldeada.

Por el contrario, la impresión en 3D permite crear canales de refrigeración con cualquier forma deseada, lo que garantiza una refrigeración conformada más optimizada y uniforme. Esto, a su vez, se traduce en piezas de mayor calidad y menores tasas de desecho. Además, la disipación acelerada del calor reduce considerablemente la duración del ciclo de moldeo por inyección, ya que la refrigeración suele constituir hasta 70% de la duración total del ciclo.

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

La impresión 3D reduce significativamente la barrera para validar nuevas herramientas que aborden necesidades no cubiertas en la fabricación, permitiendo la creación de un mayor número de dispositivos móviles y fijos. Históricamente, las herramientas y dispositivos relacionados se diseñaban para maximizar su longevidad, dados los considerables gastos y esfuerzos que suponía rediseñarlas y fabricarlas.

Gracias a la utilización de la tecnología de impresión 3D, las empresas obtienen la flexibilidad de renovar cualquier herramienta en cualquier momento, no sólo las que se han desechado por no cumplir los requisitos.

Al requerir un tiempo y una inversión inicial mínimos, la impresión 3D hace que sea más rentable mejorar las herramientas para obtener un rendimiento marginal superior. En consecuencia, los técnicos pueden dar prioridad a aspectos como la ergonomía en sus diseños para mejorar la comodidad operativa, reducir la duración del procesamiento y mejorar la facilidad de uso y la comodidad de almacenamiento. Aunque es posible que estas mejoras sólo se traduzcan en una reducción marginal del tiempo de las operaciones de montaje, no hay que subestimar el impacto acumulativo.

Además, la optimización del diseño de las herramientas también puede reducir la tasa de piezas desechadas. Misma calidad que los moldes mecanizados; puede hacer canales de refrigeración conformados; utiliza menos materias primas y más rápido que los moldes mecanizados; puede imprimir varias versiones de moldes a la vez; tiene mayores opciones de aplicación, adecuado para fabricantes de subcontratación; evita la fuga de datos, solución interna para proteger la propiedad intelectual; piezas moldeadas por inyección tienen la misma calidad.

Unos ciclos de producción más cortos, la capacidad de fabricar geometrías más complejas y unos costes finales de fabricación más bajos permiten a las empresas crear un gran número de herramientas personalizadas para apoyar la fabricación de piezas a medida.

Los moldes personalizados ayudan a personalizar el producto final, y los moldes de impresión 3D son muy beneficiosos para la producción personalizada, como los equipos médicos y la industria médica. Puede proporcionar a los cirujanos instrumentos personalizados impresos en 3D, como guías y herramientas quirúrgicas, lo que les permite mejorar los resultados quirúrgicos y reducir el tiempo de intervención.

¿Cuáles son las desventajas de la impresión 3D de moldes metálicos?

Puede llevar más tiempo y costar más que el mecanizado; requiere más tiempo de diseño previo y exige una mayor cualificación. El procesamiento posterior al mecanizado puede seguir siendo necesario para cumplir los requisitos de precisión, y los tamaños de los moldes son limitados. Los materiales más utilizados son el acero inoxidable y el acero para herramientas.

¿Cuáles son los ejemplos típicos de impresión 3D de moldes metálicos?

Bridgestone

Creación de neumáticos de alta calidad para todas las estaciones. Tradicionalmente, los moldes de neumáticos se fabricaban uniendo manualmente tiras y bloques metálicos siguiendo un patrón específico a un molde básico. Los componentes metálicos, con sus geometrías sencillas, se fabricaban con herramientas de mecanizado convencionales.

Sin embargo, Bridgestone ha adoptado la tecnología punta utilizando máquinas SLM del fabricante alemán SLM Solutions para producir moldes metálicos impresos en 3D. Este enfoque innovador permite a los ingenieros crear moldes con formas y patrones que antes eran inalcanzables.

Al rediseñar los moldes, se puede mejorar el rendimiento de tracción del neumático sin comprometer su longevidad. SLM Solutions ha logrado una hazaña notable al imprimir con éxito en 3D un molde de neumático de acero con un grosor de tan solo 0,3 mm en su punto más delgado. Bridgestone no es el único gigante del sector que aprovecha la tecnología de impresión 3D; Michelin lleva ofreciendo neumáticos fabricados con esta avanzada técnica desde 2013.

Ventosas Eplus3D

En el pasado, los fabricantes utilizaban el moldeo por inyección tradicional para producir copas con poca transparencia y baja eficiencia de moldeo por inyección. La razón principal es que el molde para tazas producido por la tecnología CNC tradicional solo puede procesar canales de refrigeración verticales, que no pueden enfriar el molde de forma eficaz. El molde de inyección de copas producido por la impresora 3D EP-M250 SLM presenta un complejo molde metálico de canal de refrigeración conformado producido con la impresora 3D Eplus3D EP-M250 SLM.

El ahuecado final sólo tarda 16,63 segundos en alcanzar la temperatura de pulverización. Se trata de una mejora significativa en comparación con los moldes tradicionales, que tardan 22,97 segundos, lo que supone una reducción de más de 6 segundos y un aumento de la eficacia de inyección de unos 26%.

¿Cuáles son las tecnologías y los materiales de los moldes metálicos?

La tecnología de moldes metálicos incluye principalmente

Fusión selectiva por láser (SLM)

en la fabricación aditiva de materiales metálicos. A pesar de la capacidad de lograr detalles intrincados a través de este proceso, el mecanizado adicional sigue siendo frecuente. En la actualidad, debido a consideraciones de costes y velocidades de procesamiento, es poco probable que la impresión 3D de metales suplante por completo el mecanizado de las herramientas de moldeo por inyección. En cambio, sirve como complemento que mejora la eficiencia de la producción en general.

Deposición Directa de Energía (DED)

El láser crea un baño de fusión en la zona de deposición y lo mueve a gran velocidad. El material se envía directamente a la zona de fusión a alta temperatura en forma de polvo o filamento y se deposita capa por capa tras la fusión. Este método hace posibles los moldes metálicos para una gran variedad de materiales metálicos. Por ejemplo, se puede aplicar 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 moldeo por inyección herramientas.

Los materiales de los moldes metálicos incluyen principalmente

Según el tipo de material, los materiales metálicos para impresión 3D pueden dividirse en aleaciones con base de hierro, titanio y aleaciones con base de titanio, aleaciones con base de níquel, aleaciones de cobalto-cromo, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre y metales preciosos.

Aleación a base de hierro

Las aleaciones con base de hierro son un tipo de aleación que se ha estudiado antes y más profundamente en los materiales metálicos de impresión 3D. Las aleaciones basadas en hierro más utilizadas incluyen el acero para herramientas, el acero inoxidable 316L, el acero de alta velocidad M2, el acero para moldes H13 y el acero martensítico envejecido 15-5PH, etc. . Las aleaciones con base de hierro tienen bajo coste, alta dureza, buena tenacidad y buena maquinabilidad, lo que las hace especialmente adecuadas para la fabricación de moldes.

La impresión 3D de moldes conformados para canales de agua es una de las principales aplicaciones de las aleaciones con base de hierro. Los canales de agua de formas especiales son difíciles de procesar con los procesos tradicionales. Sin embargo, la impresión 3D puede controlar la disposición de los canales de refrigeración para que sean básicamente coherentes con la geometría de la cavidad, lo que puede mejorar la uniformidad del campo de temperatura y reducir eficazmente los defectos del producto y aumentar la vida útil del molde.

Titanio y aleaciones de titanio

El titanio y las aleaciones de titanio se han convertido en materiales ideales en los campos de los dispositivos médicos, los equipos químicos, la industria aeroespacial y los equipos deportivos debido a su notable alta resistencia específica, buena resistencia al calor, resistencia a la corrosión y buena biocompatibilidad. Sin embargo, las aleaciones de titanio suelen ser materiales difíciles de mecanizar.

Sufren grandes tensiones, altas temperaturas y un gran desgaste de las herramientas durante el procesamiento, lo que limita la amplia aplicación de las aleaciones de titanio. La tecnología de impresión 3D es especialmente adecuada para la fabricación de titanio y aleaciones de titanio. En primer lugar, la impresión 3D se realiza en un entorno de atmósfera protectora. El titanio no reacciona fácilmente con elementos como el oxígeno y el nitrógeno. Además, el rápido calentamiento y enfriamiento de las microáreas limita la volatilización de los elementos de la aleación;

En segundo lugar, se pueden fabricar formas complejas sin procesamiento de corte, y la tasa de utilización de material basada en materiales en polvo o alambre es alta, lo que no causará desperdicio de materias primas y reducirá en gran medida los costes de fabricación. Actualmente, los tipos de titanio y aleaciones de titanio impresos en 3D incluyen Ti puro, Ti6A14V (TC4) y Ti6A17Nb, que pueden utilizarse ampliamente en piezas aeroespaciales (Figura 3) e implantes artificiales (como huesos, dientes, etc.).

Ventajas y desventajas de la impresión 3D de moldes de plástico

¿Cómo imprimir moldes de plástico en 3D?

La utilización de materiales duraderos y resistentes al calor junto con una impresora 3D de plástico (o polímero) permite a las empresas producir sus moldes de inyección internamente o adquirirlos rápidamente de un proveedor de servicios.

¿Cuáles son las ventajas de imprimir moldes de plástico en 3D?

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

La impresión 3D reduce las barreras a la validación de nuevas herramientas que satisfagan necesidades de fabricación no cubiertas, permitiendo la integración de más accesorios móviles y fijos en los procesos de producción. Convencionalmente, las herramientas y los equipos relacionados se han diseñado para ofrecer la máxima durabilidad con el fin de evitar los importantes costes y la mano de obra asociados al rediseño y la producción. Gracias a la tecnología de impresión 3D, ahora las empresas pueden reacondicionar cualquier herramienta en cualquier momento, sin limitarse únicamente a las que han sido desechadas y consideradas inadecuadas.

Bajo coste

Los métodos tradicionales de producción de moldes de inyección suelen ser caros y llevar mucho tiempo, ya que requieren maquinaria de precisión y experiencia por parte del fabricante de moldes. En cambio, la impresión 3D ofrece una alternativa más rentable para la producción de moldes.

La impresión directa de moldes desde una impresora 3D puede ser adecuada para piezas de bajo volumen (desde 100 hasta más de 10.000, en función del material) y puede costar hasta 90% menos que los moldes metálicos. La impresión 3D de plástico se perfila como el método preferido de fabricación de moldes cuando los plazos de entrega cortos y los costes bajos son consideraciones clave.

Según los informes, los moldes impresos en 3D pueden ahorrar hasta 80% de costes en comparación con las tecnologías tradicionales. Son mucho más rápidos y baratos que la producción tradicional de moldes metálicos. Se pueden imprimir varias versiones de moldes simultáneamente, lo que ofrece mayores opciones de aplicación y los hace idóneos para fabricantes subcontratados. Esta solución interna evita la fuga de datos y protege los derechos de propiedad intelectual, garantizando que el piezas moldeadas por inyección mantener la misma calidad.

La impresión 3D requiere menos pasos que el mecanizado, con una media de sólo seis días laborables necesarios para completar el molde y la pieza. De hecho, la fabricación de moldes puede completarse en tan solo unas horas, lo que hace que el proceso sea rápido y eficiente.

Ahora es posible imprimir en 3D moldes de inyección complejos utilizando resinas solubles, impresoras 3D de plástico (o polímero) y materiales duraderos y resistentes a la temperatura. Este avance permite a las empresas producir sus propios moldes internamente o adquirirlos fácilmente a proveedores de servicios.

¿Cuáles son las desventajas de la impresión 3D de moldes de plástico?

Los moldes de plástico suelen presentar una conductividad térmica inferior a la de los moldes metálicos, lo que prolonga los tiempos de enfriamiento de las piezas moldeadas por inyección. Además, tienden a degradarse más rápidamente que sus homólogos metálicos, por lo que a menudo requieren procesos de mecanizado posterior para lograr una precisión exacta. Además, los moldes de plástico tienen unas opciones de tamaño limitadas.

¿Cuáles son algunos ejemplos típicos de moldes de plástico para impresión 3D?

Molde Zetar

Zetar Mold es una empresa de moldeo por inyección con sede en ShangHai (China) que ofrece servicios de creación rápida de moldes y moldeo por inyección de lotes pequeños. En respuesta a la creciente demanda de producción de bajo volumen, Zetar Mold ha adoptado la tecnología de impresión 3D para crear moldes de plástico rentables para una producción más rápida de pedidos más pequeños. A través de su exploración, descubrieron que la impresora 3D SLA de Formlabs, emparejada con el material de resina rellena de vidrio de la empresa Rigid 10K Resin, era la combinación ideal para su máquina de moldeo por inyección industrial Babyplast.

Gracias a Formlabs, Zetar Mold puede producir rápidamente moldes de inyección impresos en 3D. Tras la fase de diseño, Zetar Mold puede imprimir y realizar el posprocesamiento del molde en un solo día. Al integrar la pieza impresa con la estructura metálica existente del molde, el montaje puede completarse en sólo treinta minutos, lo que permite el inicio inmediato de la producción. proceso de moldeo por inyección. Aunque cada molde suele estar limitado a aproximadamente 100 usos, Zetar Mold puede imprimir simultáneamente varios moldes para adaptarse a pedidos de mayor volumen.

impresoras 3D de Markforged para producir moldes termoestables. La empresa necesitaba un molde termoestable duradero para sustituir el costoso proceso de silicona subcontratado, capaz de soportar importantes fuerzas de sujeción cuando se expone a temperaturas de hasta 150 °C.

Markforged creó con éxito un molde en aproximadamente 60 horas utilizando la impresora 3D X7 y materiales Onyx, con un coste aproximado de $240 por molde. En comparación, los moldes de silicona mecanizados requirieron 144 horas de producción e incurrieron en gastos de aproximadamente $1.000 por molde.

Addifab

Producir prototipos utilizando el mismo diseño y los mismos materiales que el producto final puede mejorar y acelerar considerablemente el proceso de prueba de prototipos. Addifab, una startup con sede en Bélgica, se especializa en proporcionar moldes impresos en 3D para moldeo por inyección.

Addifab ofrece un material de resina patentado para moldes de impresión 3D que puede soportar presiones de inyección de hasta 2.500 bares y temperaturas de fusión de 450 °C. Posteriormente, el molde se disuelve completamente en una solución alcalina acuosa en un plazo de 12 a 48 horas. Addifab utiliza esta resina soluble para imprimir en 3D moldes de inyección.

Wilson Sporting Goods empleó recientemente la resina Addifab en su impresora de gran formato Nexa3D NXE 400 para producir de forma eficiente múltiples versiones de moldes de inyección para nuevos mangos de bates de béisbol.

¿Cuáles son los materiales de los moldes de plástico?

nylon

Características del material: El nailon tiene resistencia a altas temperaturas, buena tenacidad y alta resistencia. En comparación con otros materiales, el nailon tiene excelentes características, como alta fluidez, baja electricidad estática, baja absorción de agua, punto de fusión moderado y alta precisión dimensional de los productos.

Su resistencia a la fatiga y su tenacidad también pueden satisfacer las necesidades de piezas que requieren propiedades mecánicas superiores. Es un plástico de ingeniería. Material ideal para la impresión 3D.
Aplicaciones habituales: carcasas y cajas, artículos deportivos de consumo, prototipos complejos de piezas de plástico y prototipos de forma, ensamblaje o funcionales.

Nylon de alto rendimiento

Atributos clave: Material maleable y flexible de gran durabilidad, rendimiento y resistencia al impacto.
Aplicaciones habituales: Prototipos resistentes a impactos, plantillas, accesorios, tubos y cajas de pared delgada, broches, clips y bisagras.

Resina fotosensible importada

Características de los materiales: Los materiales de resina fotosensible son muy utilizados por su gran suavidad y durabilidad. Las piezas impresas con este material pueden someterse a procesos de postprocesado como esmerilado, pulido, pintura, pulverización, galvanoplastia y serigrafía. Su rendimiento es similar al del plástico de ingeniería ABS. Con una alta precisión y una superficie delicada, puede utilizarse no sólo para piezas de apariencia, sino también para verificación estructural, de montaje y funcional.

Aplicaciones comunes: electrodomésticos, fabricación rápida, modelos prototipo, productos electrónicos, educación e investigación científica, modelos arquitectónicos, modelos artísticos, fabricación de automóviles y otros campos.

Conclusión

La industria del moldeo por inyección, altamente competitiva y en rápido crecimiento, con un valor de cientos de miles de millones de dólares, ha impulsado a los fabricantes a buscar formas más eficientes y rentables de mantenerse a la vanguardia.

La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, permite a estas empresas producir moldes y herramientas de moldeo por inyección de calidad superior de forma más rápida y asequible que los procesos tradicionales. Podría decirse que los moldes impresos en 3D están revolucionando el sector de la fabricación de moldes.