30 años de moldeo por inyección

Con motivo de la celebración de 30 años en Tecnología del Plástico, me ha sido confiada la delicada tarea de hacer un resumen sobre el desarrollo que ha tenido la tecnología de moldeo por inyección en las últimas tres décadas. Creo que no es una imprecisión decir que todos los días se desarrolla algo nuevo en la tecnología de moldeo por inyección de plásticos, por lo que es un desafío plasmar en un solo artículo los hitos de desarrollo que han marcado los últimos 30 años. Sin embargo, me aventuro a hacer un listado de 10 tecnologías que le han cambiado la cara al moldeo por inyección (valga aclarar que la numeración no corresponde a ninguna jerarquía).

Antes de iniciar el recuento, vale la pena considerar que hay algunas tendencias macro que están marcando el desarrollo, no solo de la industria plástica, sino de toda la producción industrial: una de estas macro tendencias es la personalización de productos: cada vez se quiere tener productos más especiales, que hagan que el consumidor se sienta único y especial. Así mismo, la sociedad sigue en aumento, con el incremento del poder adquisitivo de las economías emergentes y las presiones ambientales que esto requiere: las tecnologías desarrolladas deben abastecer a un mayor número de personas sin agotar los recursos naturales. Por otro lado, la competencia global incrementa cada vez más la presión por reducir costos en las empresas. Todo esto hace que las tecnologías busquen tres cosas: ser más eficientes, más productivas y a la vez producir artículos más complejos y diferenciados.

1. Inyección multi-componente

La inyección multi-componente se refiere a la combinación de dos o más materiales dentro de la misma pieza, con el objetivo de combinar colores o de aprovechar la funcionalidad de diferentes tipos de materiales. Cepillos de dientes, mangos de herramientas y lentes de vehículos son algunos de los artículos producidos. La tecnología de inyección multi-componente fue desarrollada en la década de los 60. En los últimos 30 años se ha desarrollado en cuanto a la cantidad de componentes que pueden incluirse en un solo molde, la mezcla de materiales, la tecnología de máquina y molde y los sistemas de control.

Recientemente la empresa alemana Zahoranksy presentó un molde para inyección de siete componentes, lo que constituye el nuevo estándar en la industria. Este molde se emplea para producir cepillos de dientes en dos colores: el objetivo es poder tener una flexibilidad mayor en el cambio de color (producir lotes más variados, respondiendo a las demandas de los consumidores) y no tener que parar y purgar el molde cada vez que se cambie un color.

2. Inyección de cuerpos huecos

Las tecnologías de inyección asistida con agua y gas permiten la conformación de cuerpos huecos a través de moldeo por inyección. Ambas tecnologías abrieron el camino para que se emplearan tuberías de plástico en lugar de tuberías de metal en la industria automotriz, con lo cual se han obtenido reducciones sustanciales en peso y ganancias en cuanto a flexibilidad de diseño y resistencia química. La tecnología da ahora un paso más para combinar materiales rígidos y flexibles: una tubería puede tener una sección rígida, a partir de un material termoplástico, y un tramo flexible, a partir de un material elastomérico. Este material le brinda a la tubería la posibilidad de doblarse y absorber impactos.

Otra evolución de esta tecnología es la de emplear un proyectil impulsado por agua, con lo cual se logran superficies interiores más consistentes dimensionalmente en las piezas moldeadas. Por último, actualmente se está investigando el uso de combinaciones de un porcentaje de vapor y otro porcentaje de líquido a partir de diferentes sustancias (no sólo agua), de forma tal que se combinen las propiedades térmicas y físicas del estado líquido y del estado gaseoso.

3. Micro-inyección

La inyección de piezas de tamaño micrométrico es uno de los grandes avances que ha tenido la tecnología de moldeo en los últimos años. Los plásticos tienen un comportamiento diferente a escalas micrométricas, ya que hay fenómenos despreciables en el moldeo de piezas “macro”, (como la fricción o la tensión superficial) que entran a jugar un papel cuando se entra al mundo “micro”. Destaca la combinación de piezas multi-componente, y los conjuntos de piezas ensambladas directamente en el molde, combinando el proceso de multi-componente y de micro-inyección. La relevancia de la industria micro es sustancial particularmente en el campo de la medicina, donde se utilizan sistemas de exploración para diagnósticos. Otra industria que se beneficia enormemente de la micro-manufactura es la electrónica, donde la tendencia a la miniaturización es permanente. En este campo se busca además que las piezas moldeadas tengan cierto grado de conductividad eléctrica, por lo que se combinan materiales termoplásticos, que tienen la capacidad de moldearse, con polvos metálicos, capaces de conducir electricidad.

4. Espumado en inyección

Buscando reducir peso y lograr propiedades especiales, como absorción de ruido o reducción de densidad, se incluyó el uso de agentes espumantes en el moldeo por inyección. Esta tecnología tiene al menos 40 años, y los primeros usos fueron los agentes espumantes químicos, que, actuando en forma similar a un polvo de hornear, se incluyeron en máquinas de inyección convencionales para generar una estructura celular dentro de piezas moldeadas. El resultado es una pieza que tiene una pared sólida y un núcleo con celdas cerradas (similar a un hueso). Los beneficios no son solo la reducción del peso y consumo de materia prima, sino también la reducción del alabeo y la fuerza de cierre, ya que se cuenta con una presión al interior del polímero por parte del agente espumante.

En las últimas décadas hemos visto un trabajo intenso en el desarrollo de tecnologías de espumado físico. En estas tecnologías se introduce un gas inerte dentro de la unidad de plastificación de la inyectora (comúnmente nitrógeno o dióxido de carbono) y se obtiene una mezcla homogénea entre este gas y el polímero, bajo la presión de la unidad de plastificación. Una vez el material entra en el molde, el gas se separa del fundido y se genera una estructura espumada. Los gases inertes son más económicos que los agentes espumantes químicos y además no generan residuos corrosivos. Sin embargo, se requiere de una tecnología de dosificación especial dentro de la unidad de plastificación, lo que hace que se requiera una inversión inicial mayor.

5. Atemperamiento para moldes

Uno de los desarrollos más interesantes ha sido la tecnología de enfriamiento o atemperamiento de moldes. En los últimos 30 años se ha desarrollado la tecnología de enfriamiento de contorno (en inglés “conformal cooling”) que logra llevar el agua mucho más cerca de la cavidad y por tanto lograr ciclos muy eficientes, reduciendo la presencia de puntos calientes en el molde. Las piezas intrincadas o muy profundas pueden hacerse con machos refrigerados, donde se reduce la fatiga térmica del macho.

Adicionalmente, se han desarrollado tecnologías de enfriamiento y calentamiento “de impulso”, como la tecnología Variotherm, que calienta el molde para favorecer el llenado, lograr una mejor calidad superficial y eliminar líneas de soldadura, y después lo enfría para acortar el tiempo de ciclo.

Otra tendencia de desarrollo reciente es el atemperamiento local por láser; con un calentamiento local pueden lograrse los mismos beneficios que con el calentamiento Variotherm, pero se pueden limitar a regiones específicas de las piezas, para lograr una mejor calidad y precisión en zonas críticas.

6. Simulación

La tecnología de simulación en inyección ha avanzado, a la par que la tecnología de software en general, a pasos agigantados en los últimos años. De ser una tecnología algo rudimentaria, que sólo podía predecir el patrón de llenado de un molde, ha pasado a ser capaz de simular el proceso completo de inyección, como una máquina de inyección virtual.

El software SIGMASOFT ha implementado desarrollos significativos, con los cuales hoy es posible reproducir hasta el último detalle del proceso de inyección a través de varios ciclos. Puede predecirse la temperatura del molde en cualquier ubicación y cualquier momento, y esta información se emplea para calcular con exactitud tiempos de ciclo y deformaciones en la pieza moldeada; el software permite identificar errores en la pieza, evaluar el desempeño de diferentes materiales en el molde e incluso encontrar el sistema óptimo de atemperamiento.

También se destacan los desarrollos de la empresa SIMCON, quien ha desarrollado el sistema Varimos para optimización de la producción. El sistema trabaja como un diseño de experimentos (DOE) para encontrar la combinación óptima de parámetros que minimicen (o maximicen) determinada función objetivo – como el tiempo de ciclo o la deformación.

7. Sobremoldeo y decoración en el molde

En los últimos años se han desarrollado diferentes tecnologías para integrar elementos decorativos a la pieza plástica directamente dentro del molde. De esta forma se obtiene una decoración que hace parte integral de la pieza, y por tanto tiene más durabilidad, a la vez que se ahorra un paso adicional en la decoración posterior al molde.

El etiquetado en el molde es uno de los sistemas más comúnmente empleados. En los últimos años la tecnología de etiquetado en el molde se ha caracterizado por la reducción de la inversión requerida, con la entrada de nuevos jugadores asiáticos al mercado, así como por la combinación de diferentes soluciones de automatización que generan mayor eficiencia. También se ha trabajado en sistemas electrostáticos para evitar el desplazamiento de la etiqueta dentro del molde.

La decoración en el molde incluye además el sobremoldeo de textiles o insertos metálicos. El desarrollo más reciente en este sentido se está llevando a cabo en el instituto IKV de Aachen, Alemania, donde el inserto está siendo aplicado en spray sobre el molde: el metal en partículas es aplicado con un atomizador, como una pintura, al molde, y posteriormente sobremoldeado con un material termoplástico. Esta técnica ofrece la ventaja de poder hacer piezas muy intrincadas en el molde, que además no se desplazan cuando entra el material polimérico.

8. Inyección de materiales reforzados

Las fibras o materiales de refuerzo se han empleado como carga en los materiales poliméricos prácticamente desde que estos existen. El objetivo de usar este tipo de materiales compuestos es combinar lo mejor de dos mundos: la conformabilidad del material termoplástico con la resistencia mecánica de las fibras. El uso de materiales termoplásticos de alto punto de fusión con fibras está permitiendo reemplazar metales por plásticos en aplicaciones de motores automotrices.

Una de las grandes tendencias en este campo es la inyección de fibras largas – e incluso de fibras continuas. Krauss Maffei es una de las empresas que ha trabajado en este campo, con su tecnología de FiberForm, con los que pueden obtenerse láminas de compuestos reforzadas intensivamente en algunas regiones. Con esta tecnología pueden fabricarse piezas completamente listas a través de una celda de manufactura.

9. LSR – silicona líquida

El caucho de silicona líquida (LSR son las iniciales de “liquid silicon rubber”) es un material revolucionario por dos motivos: su alta resistencia térmica, que le permite ser empleado para utensilios de cocina, por ejemplo, y su estabilidad dimensional. Además, puede ser esterilizado. La silicona es un material termoestable, que se forma a partir de la reacción de dos componentes. Estos componentes, al reaccionar químicamente, generan una estructura reticulada, similar a la del caucho.

Hay una gran cantidad de aplicaciones para los cauchos de silicona líquida: productos para la industria médica, como mascarillas, o para el cuidado de bebés, como chupos. Los desarrollos más recientes se destacan por la posibilidad de producir el reticulado del LSR a través de radiación UV, con lo cual pueden combinarse LSR y termoplásticos de bajo punto de fusión (pues no hay calor para el proceso de reticulación). También destaca la producción de piezas micro-inyectadas con LSR.

10. Combinación de procesos

Esta tendencia no es exclusiva del moldeo por inyección: en los últimos años los procesos de transformación de plástico se “reinventan” y se emplean las sinergias de los diferentes métodos para lograr propiedades en los procesos y en las piezas que no serían posibles empleando una sola tecnología. Por ejemplo, se combina el moldeo por inyección con el soplado, para producir piezas huecas que tengan regiones suficientemente precisas para hacer roscas o ajustes. En la última feria K Arburg presentó una tecnología de espumado de partículas que se combina con sobremoldeo por inyección, de forma tal que se puede lograr una pieza rellena de un material muy liviano, que da estructura, y con una piel resistente a la abrasión, como un termoplástico. La meta en todos estos desarrollos ha sido lograr combinar diferentes procesos en un solo paso y ahorrar las etapas posteriores de ensamble y montaje. Tanto, que se ha llegado a pensar si debería dejar de pensarse en las máquinas de inyección por sí mismas para pensar más bien en celdas de manufactura.  Esta tendencia a la integración es sin duda una de las principales tendencias que han marcado el desarrollo reciente y seguirán marcando el desarrollo futuro.

Una última palabra: manufactura aditiva

Pese a que no es un proceso de inyección en el sentido clásico de la palabra, la manufactura aditiva, análoga a la “impresión 3D”, está revolucionando la industria. En la feria K 2013 Arburg presentó la FreeFormer, una máquina con la cual se “imprimen” piezas plásticas en 3D. En este caso se emplea una unidad de plastificación muy pequeña para inyectar “gotas” de plástico. Estas gotas se unen formando capas, que se superponen para formar una pieza terminada. Es posible utilizar ms de una unidad de plastificación, y combinar varias capas de diferentes materiales (como se haría en una inyección multi-componente).

La gran revolución es que en este caso se emplean resinas convencionales, como PP o PE, a diferencia de las tecnologías de impresión 3D de prototipos. Las grandes ventajas son la libertad absoluta de diseño y que no se necesita de un molde. Es posible generar productos personalizados, o con geometrías intrincadas, que no podrían desmoldarse en inyección convencional.

La desventaja (por ahora) es la velocidad de producción. Ya veremos qué desarrollos nos depara el futuro, y hasta qué punto la manufactura aditiva reemplazará al moldeo por inyección como lo conocemos hoy en día.

¿Qué nos depara el futuro?

Estamos ad-portas de una nueva revolución industrial. En Alemania se habla de la “Industria 4.0”, la época en la que las máquinas inteligentes serán capaces de adaptarse a entornos productivos nuevos. Esto significa que los sistemas de control de las máquinas existentes “aprenderán” de sus errores y serán capaces de autocorregirse, minimizando la intervención humana. La industria plástica no escapa a esta macro-tendencia y ya vemos avances de los diferentes proveedores en esta dirección. El objetivo es minimizar pérdidas y lograr una calidad estable, con un mínimo consumo energético.

Artículo proveniente de la revista impresa con el código Tp3001-inyección.