Microinyección, grandes oportunidades de tamaño reducido

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Con una tasa de crecimiento anual del 20%, la técnica de microsistemas es una de las tecnologías clave del siglo XXI y un mercado con futuro. El moldeo por inyección ha demostrado ser el procedimiento más adecuado para la fabricación de estas micropiezas de plástico con dimensiones que a menudo equivalen tan sólo a fracciones de milímetro. La producción de microcomponentes abre nuevas oportunidades de negocio a la industria transformadora del plástico, y la tecnología para aprovechar dichas oportunidades ya está en el mercado. Innovaciones a este respecto serán presentadas durante la feria industrial K 2007, que se celebrará este año en Dusseldorf (Alemania) del 24 al 31 de octubre próximo.

El enorme atractivo de esta nueva área de negocio debió, sin duda, contribuir a que más de 300 personas se reunieran a mediados de febrero de 2006 en el palacio de congresos de Baden-Baden para asistir a las jornadas anuales sobre tecnología de inyección organizadas por la asociación de ingenieros alemanes VDI (Verein Deutscher Ingenieure). En esta ocasión, el programa del evento incluía como tema destacado, además de la "Fabricación y compra de moldes", el "Moldeo por inyección de micropiezas y piezas pequeñas" y los retos y oportunidades que este campo, todavía desconocido para la mayoría de las empresas transformadoras de plástico, ofrece. Durante los dos días que duró el evento, se analizó a fondo el estado actual del mercado de las microaplicaciones así como las nuevas tendencias y desarrollos que presenta. En un plano más académico, los expertos de la cátedra de tecnología del plástico de la Universidad de Erlangen-Nürnberg presentaron una "Comparativa entre las propiedades internas y el comportamiento de uso de las piezas pequeñas y micropiezas moldeadas".

Crecimiento voluminoso
Ansgar Jaeger, director de las jornadas, resaltó en un breve discurso sobre los microsistemas el papel clave que esta tecnología desempeñará en el siglo que acaba de empezar. Con una tasa de crecimiento de 20% anual, los microsistemas constituyen según Jaeger una nueva área de negocio de gran atractivo para las empresas alemanas y, muy especialmente, para las empresas transformadoras del plástico. Los microsistemas están cada vez más presentes en sectores como la mecánica de precisión, las telecomunicaciones, la tecnología médica, la biotecnología y, sobre todo, en la industria automovilística. El creciente número de aplicaciones y el aumento del volumen demandado otorgan al micromoldeo por inyección una importancia extrema como procedimiento de fabricación. Según Jaeger, ingeniero de la empresa fabricante de máquinas de inyección Demag, el gran volumen demandado por los distintos sectores obliga a desarrollar un procedimiento de este tipo por cuestión de costes.

Christine Neuy, directora de la asociación internacional de microtecnología IVAM (Interessengemeinschaft zur Verbreitung von Anwendungen der Mikrostrukturtechniken) con sede en Dortmund, opina de forma similar. En su ponencia de Baden-Baden destacó el papel clave que tendrán la miniaturización y las tecnologías relacionadas en el crecimiento económico y en la creación de puestos de trabajo en Alemania. Según Neuy, la necesidad de miniaturización se está convirtiendo en una megatendencia tecnológica con un peso cada vez más pronunciado. Entre sus innumerables virtudes se cuentan el reducido peso y el menor consumo energético y de material, con la consiguiente reducción de costes, así como uno de los atributos más demandados por las industrias automovilística, médica, eléctrica, medioambiental o de tecnologías de la información: más funcionalidad en menos espacio todavía. La microtecnología debe cumplir todas las expectativas que se han creado a raíz del desarrollo experimentado por el mercado de la telefonía móvil.

Un mercado de 24.000 millones de dólares
Según la IVAM, que hace poco dio la bienvenida a su socio número 200, los mercados objetivo principales de la tecnología de microsistemas son los de periféricos informáticos, automóviles, artículos de consumo, tecnología médica, telecomunicaciones y tecnología de procesos industriales en general. Un estudio de la empresa Nexus sobre la tecnología de microsistemas realizado por un grupo de expertos llegaba a las mismas conclusiones. El estudio estimaba que el volumen de mercado mundial en el año 2004 había alcanzado los 11.500 millones de dólares y que para el año 2009 dicho volumen habrá más que duplicado hasta los 24.000 millones de dólares. Algunos de los productos que más contribuirán a ello, según el mismo estudio, son relativamente nuevos e incluyen micrófonos, dispositivos de almacenamiento, sondas wafer, sistemas de microrreacción, lentes líquidas y microbombas. Los expertos del IVAM afirman que, además de estos productos, se perfilan otros campos de aplicación completamente nuevos en los sectores de la electrónica de consumo y el control de procesos industriales.

La tecnología de microsistemas ofrece según el IVAM más funciones y mayor precisión en un espacio y con un consumo energético más reducido. El teléfono para automóvil es un buen ejemplo de ello: hace 30 años, un teléfono de este tipo pesaba 16 kilos y costaba lo mismo que tres Volkswagen Escarabajo. Hoy en día, cualquiera puede hablar desde donde quiera con un móvil que apenas pesa 100 gramos y que hasta es probable que se lo haya regalado su compañía operadora en el momento de contratar el servicio. La tecnología de microsistemas es la que hace realidad estos y otros revolucionarios inventos, cuya viabilidad a veces parece improbable.

A finales de la década de los noventa, el Institut für Mikrotechnik Mainz (IMM) ya había conseguido desarrollar en colaboración con la firma alemana Dr. Faulhaber GmbH & Co. KG un micromotor con un diámetro de tan sólo 1,9 mm y una longitud de 5,5 mm. Unos engranajes planetarios multivelocidades de plástico con diámetros igualmente diminutos de 1,9 mm procuraban un elevado par. El régimen de revoluciones por minuto superaba las 100.000 revoluciones, y la rueda dentada más pequeña del cambio de tres velocidades compuesto por un total de 17 piezas inyectadas presentaba un diámetro de tan sólo 283 micrometros (0,283 mm). Estos mini motores se utilizan por ejemplo, según indicó la revista especializada Industrieanzeiger en aquel entonces, en sistemas de enfoque óptico y en escáneres láser miniaturizados.

No obstante, las miras de los fabricantes de estas miniaturas --que generan ya hoy en día unos ingresos considerables-- no están puestas tanto en estos inventos espectaculares como en productos relativamente cotidianos que requieren una fabricación en serie de elevada calidad y rentabilidad. Un ejemplo de ello son los sensores para la industria automovilística, que en los automóviles actuales desempeñan numerosas funciones: desde el control del patinaje de las ruedas hasta el cálculo de distancias en el asistente de aparcamiento, pasando por la regulación de los faros o el control de presión de los neumáticos. Los diminutos cabezales de las impresoras de tinta o los cabezales de lectura/grabación del disco duro son algunos ejemplos más.

Cabezales láser para reproductores de DVD
Los portalentes microscópicos para cabezales láser de reproductores de DVD pueden fabricarse, por ejemplo, con la técnica de inyección mediante expansión X-Melt. Esta variante del proceso convencional de moldeo por inyección, desarrollada por el fabricante de maquinaria austriaco Engel sobre la base del "aprovechamiento consecuente de la compresibilidad de la masa fundida de plástico como acumulador de energía", fue galardonada con el Premio a la innovación de la VDI en la categoría de plástico en las jornadas de Baden-Baden. Según el jurado, la técnica premiada permite la fabricación en serie de microcomponentes de plástico, algo imprescindible en vista de la creciente tendencia hacia la miniaturización de sistemas. El jurado también tuvo muy en cuenta los nuevos y lucrativos campos de aplicación que la fabricación de piezas inyectadas de pared delgada mediante el proceso X-Melt ofrece a la industria del plástico.

Engel describe X-Melt como una "tecnología de proceso de metódica no convencional para la inyección de alta velocidad". Durante la inyección, los husillos y diversos componentes de la máquina se aceleran a velocidad máxima para después frenarse de nuevo, lo cual permite utilizar como acumulador de presión la masa fundida de plástico que se encuentra altamente comprimida en el cilindro de plastificación. El llenado del molde se realiza finalmente mediante la distensión de la masa fundida. X-Melt únicamente está disponible como equipamiento opcional en las inyectoras E-Motion de la casa Engel y permite llegar allí donde los sistemas de inyección convencionales no llegan en lo que a la fabricación de micropiezas se refiere. Según este fabricante líder mundial de máquinas de moldeo por inyección, con esta técnica pueden obtenerse actualmente pesos de inyección de 0,1 a 20 gramos y espesores de pared de entre 0,1 y 1,0 mm.

Dentro de este rango de pesos mínimos de inyección opera también el grupo Demag Plastics Group, que ha desarrollado una unidad de inyección propia para satisfacer los requisitos especiales del micromoldeo: la llamada unidad Microshot, con un husillo especial de 14 mm de diámetro. Los ingenieros de esta empresa ubicada en la región alemana de Franconia saben que la técnica del micromoldeo exige una visión global de proceso, ya que la calidad de la producción depende de la óptima integración de máquina, molde, material, componentes periféricos y know-how.

Consciente de ello, cuando se trata de micromoldeo, la empresa Demag apuesta por una combinación de calidad, eficacia, flexibilidad y rentabilidad de producción, combinación que consigue gracias a los conocimientos y experiencias acumulados en este campo durante más de una década. Trasladado a la práctica, este concepto se traduce en máquinas estándar modificadas con una fuerza de cierre de hasta 500 kN y la unidad Microshot integrada, que permiten fabricar micropiezas moldeadas de elevada calidad y reducidas dimensiones con unos pesos de inyectada de 0,1 a 0,5 gramos. Según la finalidad de uso prevista, las máquinas pueden ir equipadas con accionamientos hidráulicos o eléctricos. Existen además otras posibilidades, como por ejemplo el micromoldeo de dos componentes.

El micromoldeo, un sistema integral
La empresa alemana Dr. Boy GmbH, fabricante tradicional de inyectoras con fuerzas de cierre pequeñas, está registrando desde hace dos o tres de años un aumento de la demanda de máquinas de inyección para la fabricación de microcomponentes. Una "tendencia hacia lo micro" a la que los ingenieros de Boy han dado respuesta con una unidad plastificadora de serie con un diámetro de 12 mm que, según sus desarrolladores, es única en el mundo. Combinada con un husillo de geometría optimizada, permite trabajar con unos volúmenes de inyectada muy por debajo de los 0,1 centímetros cúbicos. El tiempo de permanencia del material dentro de la unidad plastificadora se reduce 50% aproximadamente en comparación con las unidades convencionales con husillos de 14 mm. Para retirar de forma segura las diminutas piezas moldeadas de las no menos diminutas cavidades, se desarrolló un nuevo picker integral que se ubica debajo de la cubierta protectora de la máquina y que convierte el equipo en un sistema completo de fabricación.

Concebido desde un principio como una unidad de fabricación integral, el Microsystem 50 de Battenfeld causó una gran sensación en el momento de su presentación, poco antes de la K 1998. Este sistema, que conserva toda su vigencia, combina la preplastificación en el husillo con la inyección por émbolo para fabricar componentes de peso mínimo con la máxima precisión. Según datos de la empresa fabricante Battenfeld Kunststoffmaschinen GmbH, con sede en Austria, esta célula automatizada de fabricación ofrece más constancia en las tolerancias de fabricación y una ventana de procesamiento cuatro o cinco veces más amplia que las tecnologías convencionales.

La fabricación de microcomponentes será sin duda uno de los temas centrales del stand que esta compañía austríaca montará en la K 2007, donde también presentará una versión optimizada de Microsystem 50. La empresa ya presentó en la feria Fakuma de otoño de 2005 un nuevo accionamiento para la unidad de inyección del sistema, consciente de que las claves del micromoldeo son un proceso de inyección de elevada dinámica y exactitud y la inyección de las mínimas cantidades posibles de masa fundida óptimamente preparada. El desarrollo de un nuevo disco de levas eléctrico permitió multiplicar por tres la dinámica de la unidad inyectora, al tiempo que se optimizaba el comportamiento de frenado y aceleración y la facilidad de uso de la instalación.

Todo esto, y más, podrá verse del 24 al 31 de octubre en la K 2007 de Düsseldorf.

Otras compañías que ofrecen tecnologías para la fabricación de micropiezas por inyección y estarán presentes en la K 2007 son: Arburg, Ferromatik Milacron, Krauss Maffei, Negri Bossi, Netstal y Nissei, entre otras.

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