Micromoldeo: una tecnología de gran dimensión

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El moldeo por inyección de piezas que pesan sólo una fracción de gramo está dando la oportunidad para que los convertidores puedan atender nuevos mercados en la electrónica, medicina, telecomunicaciones y el sector automotor. Las nuevas aplicaciones están llevando el límite de lo que se considera el moldeado de una pieza y la producción de partes con las especificaciones del polvo, piezas que pesan únicamente 0,0003 gramos y que tienen un espesor de 0,0004 pulgadas; con tolerancias en el orden de +/- 0,0005 pulgadas. Todo esto, acompasado por CpK de 1,3 o superior, lo que se traduce en la detección de únicamente seis defectos en 100.000 partes.

Algunas de las piezas del tamaño de una semilla pequeña tienen la forma de engranajes, carcasas para engranajes, ayudas auditivas, aparatos moldeados interconectados, bobinas, obturadores, sensores, lentes, catéteres, empaquetaduras, rodamientos y componentes de fibras ópticas. Estas partes minúsculas, tienen dimensiones delgadas aun más críticas, tales como huecos de alfiler, pasadores, canales y sistemas de enganche. Algunas de estas partes involucran la colocación de insertos o el moldeo de dos o más componentes. "Hemos entregado un número de sistemas para fabricar piezas de este estilo", dice Gregor Goebel, director general de máquinas de microinyección de Battenfeld, en Alemania. Cita el caso de un MID integral y un microobturador para un producto electrónico de consumo general. Estas piezas pesan solamente miligramos y se hacen mediante un proceso de dos etapas de inyección de dos materiales.

El micromoldeo presenta un número de retos que se adicionan a los del moldeo tradicional. Por un lado, los moldeadores no deben sorprenderse al ver mazarotas y sistemas de colada que abarcan el 75% del volumen inyectado. Adicionalmente, las prensas requieren mayores velocidades y presiones de inyección para empujar la resina fundida a través de boquillas y canales de flujo tan delgados. "El moldeo normal requiere alrededor de 20.000 psi, mientras que en el micromoldeo a veces se necesitan presiones de hasta 40.000 psi", afirma Glenn Frohring Jr., director de producto de Van Dorn Demag. Las mayores velocidades de inyección ayudan a reducir la viscosidad por efecto del esfuerzo cortante, por lo que se puede garantizar que la resina llena las cavidades antes que se enfríe. Después que las partes han sido moldeadas, el manejo, la inspección y el empaque representan otros retos distintos. Considere por ejemplo, la necesidad de controlar corrientes de aire y cargas estáticas cuando las piezas se levantan fácilmente por la acción de estas fuerzas.

El moldeo de piezas de estas dimensiones no se hace en máquinas de más de 20 toneladas, por la dificultad en el control de volúmenes de inyección de ese tamaño. También, los tiempos de residencia grandes y la degradación del material pueden ocurrir en barriles de mayor tamaño (que en otras aplicaciones se consideran de tamaño normal). Las máquinas de laboratorio, aunque son pequeñas, tampoco se recomiendan como candidatas para hacer operaciones de micromoldeo, porque generalmente no están diseñadas para la manufactura de volúmenes altos. "La estabilidad del proceso es un factor crítico. En la producción de partes pequeñas, cualquier variación en el proceso o en el material significa la fabricación de productos defectuosos", afirma Stuart Kaplan, presidente de Makuta Technics, un moldeador de Columbus, Ind., cuyo negocio de micropartes se ha triplicado en los últimos 18 meses. "Diseño de tornillos y de barriles de alta exactitud, así como la aplicación de sistemas de control de inyección son esenciales en este caso", explica Herman Plank, director de Ferromatik Milacron Europe. "Aun cuando se moldea un gramo de material, se debe tener cuidado para evitar disminuciones en la cantidad inyectada o para evitar la formación de rebabas, en caso de excederse en la cantidad inyectada." Por estas razones, los constructores de maquinaria están comenzando a desarrollar sistemas especializados para micromoldeo.

Adicionalmente a estos retos, las mayores exigencias de desempeño que se imponen en las partes más minúsculas frecuentemente exigen el uso de resinas de ingeniería como la poliamida-imida, los polímeros de cristal líquido, polieterimida, PEEK, PPS, y las nuevas cicloolefinas, COC, en adición a los tradicionales ABS, nylon, acetal y poliéster TP. Muchos trabajos también involucran rellenos como el PTFE, Kevlar, fibras o gránulos de carbono y de vidrio.

Las máquinas de inyección evolucionan
Como una indicación del crecimiento de este mercado, 11 proveedores de maquinaria en los últimos tres años han desarrollado o refinado los diseños de las máquinas de microinyección en rangos de tonelaje hasta 20 toneladas. Entre ellos están Arburg, Battenfeld, Boy, Demag Ergotech, Ettlinger, Ferromatik Milacron Europe, Nissei, Sodick, Sumitomo, Tomken-Tool y Van Dorn Demag. Las ventas de máquinas de micromoldeo no están disponibles, pero una firma reportó el envío de 120 unidades el año pasado. Un número de firmas ofrece máquinas pequeñas que realmente no están especializadas para el proceso de micromoldeo.

Los proveedores de maquinaria están divididos sobre el concepto de si el mercado de micromoldeo se atiende mejor con equipos de menor tamaño, con base en diseños correspondientes a las máquinas grandes, o si es necesario desarrollar un tipo diferente de tecnología de inyección para suplir las necesidades de la microinyección. "Con las máquinas convencionales pequeñas, las mazarotas son muy grandes en comparación con el tamaño de los productos", dice Shawn Schnee, ingeniero de aplicaciones y proceso en Boy Machines. "Una mazarota que tiene 90% del volumen inyectado no es rara en el proceso de micromoldeo, cuando se aplica la tecnología tradicional de extrusión", dice Schnee. Además, los tiempos de los ciclos son más largos, debido al volumen de las mazarotas.

Goebel de Battenfeld afirma que los moldeadores que usan equipos no especializados para micromoldeo pueden requerir más de un año de investigación y desarrollo para encontrar la mejor manera de moldear las partes minúsculas, un tiempo demasiado largo para la vida normal de un producto en el mercado de estos componentes. "Hay máquinas convencionales que pueden producir partes pequeñas, pero estas corresponden al del tamaño superior de este mercado", explica Goebel. "Y el mercado está constantemente demandando partes aún más pequeñas. Creo que la próxima generación de máquinas será capaz de hacer piezas 30% más pequeñas y más complejas que lo que hoy se puede lograr", afirma. Seguramente las tolerancias serán más estrictas, también. "Creo que las piezas se contraerán de los 3 micrones de hoy a un micrón y luego a 0,3 micrones", explica Goebel.

Los fabricantes de máquinas convencionales contestan afirmando que las máquinas especializadas deben ser de dedicación exclusiva, algo que no se adapta a una buena cantidad de empresas. Adicionalmente, los moldeadores prefieren las máquinas de un mayor número de cavidades.

Las máquinas de micromoldeo cuentan con pistones, tornillos reciprocantes y tecnologías de inyección múltiple. También se fabrican totalmente eléctricas, hidráulicas o híbridas, con motores hidráulicos y eléctricos. A pesar de estas variaciones, existen tres áreas donde se observan tendencias consistentes:

  • El micromoldeo requiere el uso de tornillos pequeños, proporcionales al tamaño de la cantidad inyectada, pero también hay un límite inferior en este sentido. "Generalmente, un tornillo de 14 mm es el menor que se puede emplear", dice Schnee, de Boy. "Cualquier cosa de menor tamaño tiene la probabilidad de provocar una rotura. Un tornillo muy pequeño tampoco puede resistir las presiones que se requieren en la inyección", afirma. Tornillos muy pequeños también presentan problemas en la alimentación de los gránulos de resina. Algunos proveedores recomiendan emplear microgránulos con los tornillos de micromoldeo.
  • Los sistemas de colada diseñados para el micromoldeo tienden a ser del tipo frío, principalmente porque las coladas calientes no se han diseñado todavía para la fabricación de piezas minúsculas.
  • Con respecto a los controles de la máquina, hay consenso en el sentido de que los nuevos procesadores de 32 bits ofrecen las mejores posibilidades para lograr un mejor control en micromoldeo.

Una solución integrada
Una máquina de Battenfeld, de 5 toneladas, totalmente eléctrica, denominada Microsystem, fue uno de los primeros modelos en ser diseñados totalmente para micromoldeo. Fue lanzada en octubre de 1999 y es el único modelo en el mercado que cuenta con una celda robotizada totalmente automática integrada al proceso de inyección. Además de la facilidad de manejo de los productos, cuenta con un sistema de inspección automático en un ambiente de cuarto limpio. Proporciona tamaños de inyección de 0,25 a un gramo, para hacer piezas que pueden pesar menos de 0,008 gramos.

Su sistema de inyección de tres etapas es inusual (ver dibujo esquemático), y comienza con un extrusor de tamaño fijo, de 14 mm de diámetro, longitud de 14:1 L/D, y colocado a un ángulo de 45º. El tornillo alimenta continuamente una cámara de dosificación vertical. La cámara tiene un pistón de 5mm de diámetro que es empujado hacia atrás a medida que entra el material fundido enfrente de él. Un sensor de presión detecta el momento en que el pistón alcanza el volumen especificado de inyección. Un motor servo con control de presión, muy preciso, envía una inyección con una tolerancia de 0,001 cc, como lo explica Battenfeld.

Enseguida, un pistón neumático envía el material fundido a la cámara de inyección. El pistón de inyección es operado por una combinación de sistemas servo y mecánico que inyecta el material a una velocidad de 760 mm/seg.

El material fundido fluye a través de una boquilla calentada internamente que sobresale de la placa fija hacia la línea de división del molde. El molde, en dos mitades, está montado sobre una tabla rotatoria y permite la inyección y eyección del producto de manera simultánea. Los moldes cuentan con insertos de cavidades intercambiables fabricados con una tecnología desarrollada en Alemania y que se denomina LIGA (un sistema de litografía por rayos X y electro deposición).

Battenfeld afirma que la prensa, sin barras de unión, es muy exacta, con una tolerancia de 0,01 mm. Una tecnología para centrar las cavidades asegura la exactitud de las piezas. Las barras de eyección, de solamente 0,2 mm de diámetro, empujan las piezas terminadas hacia fuera. Un robot montado a un lado toma las partes con almohadillas de succión y las coloca en la estación de inspección, que cuenta con cuatro cámaras.

Boy Machines prefiere trabajar con un tornillo reciprocante de etapas múltiples de inyección para evitar volúmenes muertos donde se puede acumular el material. El tornillo de micromoldeo de Boy tiene una válvula de bola en lugar del anillo cheque estándar. Para efectuar el micromoldeo, Boy ofrece un sistema totalmente hidráulico, de dos placas modelos 12 M y 12 A (para 14,2 toneladas). El controlador de alto nivel Procan CT conectado al modelo 12 A está mejor adaptado para micromoldeo, de acuerdo con la compañía. El tornillo de 14 mm, 18:1, reciprocante proporciona volúmenes de inyección desde menos de 0,1 g hasta 5 g. Tornillos de 16 y 18mm de diámetro también están disponibles. El material fundido es inyectado a una velocidad de 9,4 pulgadas por segundo, a una presión de inyección de hasta 26.034 psi. "Usamos un amplificador para precargar las bombas. Tratamos de sobredimensionar la presión para cubrir las aplicaciones de micromoldeo", dice Schnee.

Otras características incluyen un sistema de visión para la inspección de partes y otro de transporte por presión negativa.

Ferromatik Milacron Europe desarrolló su línea Micro Injection de máquinas para producir partes con pesos desde 0,001 a 3 g. Cuenta con un tornillo de preplastificación colocado en un ángulo de 45º con relación al pistón de inyección. El tornillo de 18 mm, 15:1, acomoda gránulos de tamaño estándar. El tornillo dosifica el material a través de una válvula cheque de bola hacia el pistón de inyección. El pistón de inyección se ofrece en tres tamaños para lograr pesos de inyección entre 2,26 y 5,58 g. De acuerdo con Plank de Ferromatik, el pistón de 7 mm de diámetro proporciona una resolución de movimiento que es cuatro veces mejor que lo que se puede obtener con tornillo de 14mm, de tal manera que la exactitud de la inyección es mayor. "El diseño del pistón también proporciona un mejor control del pico de presión durante la transferencia", explica Plank. El diseño de la unidad de inyección evita los filos o codos cortantes para eliminar la degradación de la resina. La unidad puede contar con la posibilidad de inyectar dos componentes.

Entre las partes más pequeñas que puede hacer la unidad es una pieza médica de acetal de un peso de 0,08 g en un molde de ocho cavidades. El peso total del volumen de inyección es de 1,6 g.

La serie MCP Minimolder, que supera el rango de Rabit y Butler, distribuidos por Tomken Tool y West Coast Mold, cuenta con una máquina de 9,9 toneladas y un sistema de inyección de dos etapas con tornillo y pistón. Está diseñada y manufacturada por MCP Equipment en el Reino Unido. En la máquina se pueden instalar tornillos de 16 mm de diámetro y longitudes de 2:1 o de 4:1 y opera con pistones tan pequeños como 7,5 mm de diámetro. Dice el director de ventas Kevin Undem de Tomken: "Hemos moldeado partes hasta 0,02 g de peso con un amplio rango de resinas de ingeniería, tales como PEEK y PPS. Hemos podido dosificar con exactitud cantidades muy pequeñas de materiales empleando tiempos de residencia mínimos, gracias a los transductores sofisticados que manejan el movimiento de inyección." Afirma que en una producción reciente de dos horas, alcanzó una exactitud de 0,0001 pulgadas y una precisión de 0,23%.

El modelo TR20EH es una nueva máquina de 20 toneladas eléctrica híbrida para micromoldeo de Sodick. Puede enviar volúmenes de inyección de hasta 0,2 g, usando un pistón de 14 mm de diámetro. El pistón tiene un recorrido de 5 mm, de los cuales, los últimos 1,0 a 1,5 mm proporcionan la presión de sostenimiento en el molde. La velocidad de inyección puede llegar a 1500 mm/seg, dice Taekkyu Lee, director regional de ventas. La prensa es inusual debido a que emplea un motor servo para abrirla y cerrarla y una cantidad pequeña de aceite para el prensado. La unidad de inyección de dos etapas usa un tornillo en la posición axial de inyección. El tornillo está impulsado por un motor servo y un pistón hidráulico.

Un sistema en línea de tornillo y pistón, sin barras de unión, es capaz de producir partes de 0,1 a 5 g y es construido directamente por Ettlinger en Alemania. La máquina Direct-Injection Molding, D-I-M, tiene un cilindro de plastificación y un pistón unido a una estación reciprocante. La boquilla de cierre con aguja, patentada, enfrente del tornillo forma una parte integral del sistema de colada caliente. El sistema de colada caliente (raro en la tecnología de micromoldeo de hoy) y la boquilla hacen posible producir partes sin dejar mazarotas. Otros beneficios reportados son la pérdida de presión reducida, tiempos de residencia bajos y el costo bajo de los moldes.

El moldeo de partes de precisión electrónicas se puede lograr con los nuevos modelos de 45 y 66 toneladas, con prensa hidráulica, de la serie PN de Nissei. Esta serie remplaza a otra de Nissei, de tonelaje similar, PS aportando una serie de mejoras. Nissei ofrece también modelos de 7 toneladas en su serie HM de unidades ultra compactas para la producción de micromoldeados.

Sumitomo recientemente extendió su línea estándar de máquinas totalmente eléctricas con un modelo de 20 toneladas, el SE18S. La unidad opera con tornillos de hasta 14 mm de diáÿÿÿÿ;metro y capacidades de inyección tan reducidas como 0,38 cc. Un motor de acción directa, sin bandas, proporciona 500 mm/seg de velocidad de inyección a presiones que superan las 34.130 psi. Otras características estándar incluyen el posicionamiento digital de la abertura y cerrado del molde, con una tolerancia de 0,1 mm, y la protección del molde a baja presión, de hasta 0,3 mm; un detalle importante en el proceso de micromoldeo, de acuerdo con fuentes del fabricante.

Meiki America ofrece máquinas de 50 toneladas equipadas acumuladores para volúmenes altos de producción de micropartes que pueden pesar tanto como 0,1 g y que tienen paredes tan delgadas como 0,3 mm. "Nuestra unidad M50C-AS-DM puede moldear 20 partes de un gramo empleando prensas de tonelaje y presiones estándar en las cavidades", dice el asistente de dirección Henry Chang.

La unidad de 70 toneladas de la firma ha sido empleada para hacer conectores electrónicos que pesan menos de un gramo. Esta es una máquina hidráulica de alta presión que también fue probada con éxito en la producción de pares de cajas de 0,3 mm en ABS/PC, con ciclos de 7 a 8 segundos. Entre las características de esta prensa más grande está un acumulador asistido, una unidad de inyección con válvula servo, una boquilla larga especial con control muy sensible de temperatura, un detalle importante necesario para lograr precisión en el moldeo de partes pequeñas, como lo asegura Chang. La prensa es presurizada en seis etapas permitiendo mejorar la ventilación en la línea de partición durante los ciclos rápidos de operación.

Partes tan pequeñas como de 0,1 g se pueden producir con la máquina Microshot de 25 toneladas, producida por Demag Ergotech. Esta prensa hidráulica incluye un tornillo y barril con diseños nuevos y dimensiones de 14 mm de diámetro y longitud de 18:1 L/D; un anillo cheque nuevo; y un tamaño de inyección máximo de 0,5 oz. Proporciona velocidades de inyección de 10 a 12 pulgadas por segundo a presiones de 30.000 psi. La fuerza de la prensa se puede rebajar a 5 toneladas para el moldeo de las piezas más pequeñas. Un sensor ultrasónico proporciona tolerancias de 0,0001 pulgadas en la posición de la prensa, asegura Rick Schaffer, vicepresidente de ventas y mercadeo de Demag Eregotech.

Fuentes de Arburg dicen que la máquina totalmente hidráulica de 17 toneladas, Allrounder 220 S, de la firma está siendo usada exitosamente en micromoldeo. En un paquete opcional se incluye un tornillo y un barril nuevos desarrollados recientemente, de 15 mm de diámetro y que generan hasta 36.250 psi. Los reportes indican que el tornillo puede dosificar de manera controlada un desplazamiento de inyección hasta de apenas 3 mm para proporcionar inyecciones exactas reducidas de hasta 0,5 cc (50mg). El paquete para micromoldeado también incluye una válvula servo y un control para la posición del tornillo, los cuales aportan respuestas rápidas y exactas en dosificación y control de la presión. Estos parámetros son críticos en micromoldeo, de acuerdo con Arburg.

Van Dorn Demag sirve el mercado de micromoldeo con su nueva máquina hidráulica horizontal de 28 toneladas, Cadence, y su modelo de 30 toneladas vertical y con codos, Newbury. Las dos máquinas tienen una capacidad de inyección reducida hasta de 0,5oz usando tornillos de 14 mm, 20:1. La presión de inyección de la prensa horizontal es de 20.000 psi en el modelo estándar, o puede llegar a 40.000, empleando el paquete de desempeño opcional. La prensa vertical tiene una capacidad estándar de 30.000 psi.

Reproducido de Plastics Technology con autorización de editor.

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