Variantes del moldeo por inyección: una revisión de diseño

Variantes del moldeo por inyección: una revisión de diseño

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Las posibilidades que ofrecen las técnicas de procesamiento de plásticos basadas en moldeo por inyección están en continuo crecimiento. Para los ingenieros de diseño, estar al día con el estado del arte es un aspecto interesante, pero que consume mucho tiempo. Los diseñadores deben ser expertos en varias áreas y manejar diversos flujos de información como se presenta en la figura 1. Un reto para ellos es conocer los nuevos desarrollos y estar entre los primeros en aplicarlos, si ello resulta beneficioso. Este artículo trata una aproximación para clasificar la información relevante sobre las variantes del moldeo por inyección de plásticos para diseñar piezas y productos.

Diseño de producto y desarrollo
Bien sea para un rediseño o para un proyecto nuevo, existen varios aspectos que se deben tratar ineludiblemente, tales como consideraciones ambientales, políticas del producto, tiempos de lanzamiento al mercado, número de productos requeridos y facilidad de fabricación. Los requisitos de las diferentes fichas en estos campos deben ser controlados por el diseñador. La capacidad de diseñar requiere que todas las limitaciones y oportunidades de los procesos sean tomadas en cuenta. Por lo tanto, en las fases tempranas de diseño, generalmente se enfatiza en la selección de los procesos de manufactura. Los procesos de manufactura más convenientes para grandes lotes de piezas plásticas son el moldeo por inyección y la mayoría de sus múltiples variantes.

Variantes del moldeo por inyección de plásticos
El número de variantes de procesamiento de plásticos está en constante aumento y adicionalmente, las combinaciones de algunas variantes son posibles como en el caso del moldeo asistido por gases reactivos. Todos estos desarrollos representan una amplia gama de oportunidades de diseño. Ejemplos de prueba son algunas variantes promisorias y emergentes del moldeo por inyección de plásticos:

  • Moldeo por inyección de pared delgada
  • Moldeo por inyección asistido por gases
  • Moldeo por inyección asistido por reacción de gases
  • Moldeo por inyección asistido por agua
  • Moldeo por inyección de núcleo fundido
  • Moldeo por co-inyección
  • Moldeo de espuma estructural
  • Molde de espuma microcelular
  • Moldeo por inyección multi-componente
  • Moldeo por intervalos
  • Moldeo con inserción
  • Técnica outsert
  • Moldeo sobre capas
  • Encapsulamiento bajo moldeo por inyección
  • Terminado de perfiles metálicos
  • Moldeo de dispositivos interconectados
  • Moldeo por transferencia de resina
  • Moldeo por inyección con reacción reforzada
  • Moldeo por inyección asistido por gases reactivos
  • Moldeo de silicona líquida
  • Moldeo por inyección asistido por vibración
  • Moldeo por inyección en sala limpia

Diseño y manufactura
La limitada familiaridad con los detalles de los materiales de proceso y los métodos de manufactura es común para muchos de los ingenieros de diseño que están tratando con muchos otros campos de experiencia. Sin embargo, al mismo tiempo ellos enfrentan el reto de tomar las decisiones en términos de nuevos diseños que le permitan a la compañía estar adelante en medio de la competencia global.

De acuerdo con Sabih M.F., en su libro Selección de materiales en diseño mecánico (2003), muchas organizaciones han optado por el camino fácil de ejecutar procedimientos conocidos para los resolver los problemas de diseño y por ello "pocas están aún en el negocio". Él describe una aproximación con varios beneficios, de los cuales uno es asegurar que los procesos de transformación más interesantes no sean pasados por alto. Por consiguiente la selección, bien sea una solución tradicional o una gran innovación, debe estar basada en el conocimiento de las alternativas más que sobre una información incompleta.

El diseño y desarrollo de producto se realizan preferiblemente por un equipo de expertos entre el cual deben haber ingenieros de diseño y expertos en materiales y manufactura. Por lo tanto, un ingeniero de diseño no necesita saber todos los pormenores de los métodos de procesamiento y manufactura de materiales. Sin embargo, una noción clara de las más recientes oportunidades de diseño sería muy útil en términos de optimización de producto.

Los autores recomiendan una aproximación sistemática para recuperar la información relevante sobre materiales y procesos en la literatura para plásticos. La información recuperada tiene que ser clasificada y ordenada bajo un formato claro, útil para los ingenieros de diseño y otros profesionales que no tienen la oportunidad de mantenerse al tanto de los nuevos desarrollos de forma continua. Por supuesto, en un equipo de expertos, al menos para una persona la tarea es estrictamente continua. La idea principal es que los ingenieros de diseño obtengan la información más útil de la experiencia de los fabricantes y, de esta manera, se contribuya a mejorar el desempeño del equipo de desarrollo de producto.

Método de clasificación
Se propone una clasificación de las oportunidades de diseño para las piezas moldeadas por inyección basada en las características del producto en cinco categorías:

  1. Mono-componente
  2. Peso reducido
  3. Multi-componente
  4. Material especial
  5. Decorado

Para algunos productos es probable que se aplique más de una de esas cinco categorías. Por ejemplo, una parte multi-componente puede ser también decorada. Este documento se concentra principalmente en las tres primeras categorías e incluye algunos métodos de procesamiento para la categoría 4.

Las consideraciones básicas de diseño relacionadas con el procesamiento incluyen, entre otras, la facilidad de desplazamiento del punto de inyección y la eyección de la pieza del molde. Por otra parte, los autores son conscientes de la importancia de la selección de materiales en coherencia con los aspectos de procesamiento. Es sabio darse cuenta de que las consideraciones de proceso en una actividad de desarrollo de producto sólo tienen sentido si otros aspectos, entre ellos los materiales, son tomados en cuenta. Los métodos de procesamiento y los materiales están interrelacionados y algunas combinaciones son muy específicas: un buen ejemplo es el moldeo de silicona líquida.

Muchos otros aspectos deben ser analizados por el equipo de desarrollo de producto, tales como los factores de costo (siempre importante y a considerar preferiblemente sobre el ciclo de vida completo del producto), el comportamiento mecánico, las consideraciones ambientales, el tiempo de mercadeo y otros más. Tales aspectos deben aparecer en la lista de los requerimientos de producto. En la sección de Discusión se muestra un ejemplo de cómo utilizar los requerimientos de producto para seleccionar una de las variantes de moldeo por inyección según las ventajas y desventajas específicas de cada proceso de transformación.

Partes mono-componente (Categoría 1)
Las piezas mono-componente son típicamente las piezas moldeadas por inyección mejor conocidas y para las cuales una guía de diseño ya ha sido establecida. Estas piezas se benefician de las mejoras actuales sobre los equipos de inyección, el control de proceso y la fabricación de moldes. Ejemplos de tales mejoras son el enfriamiento de pulso, el ingreso secuencial del punto de inyección o la tecnología de canal caliente multi-material.

Piezas de peso reducido (Categoría 2)
Las oportunidades de diseño para las piezas de peso reducido están en: Paredes delgadas, cavidades internas, partes con centro espumado y piezas totalmente espumadas (pueden considerarse también como piezas con materiales especiales).

Las consideraciones de diseño y productividad en el caso de piezas con peso reducido no se limitan exclusivamente a la disminución del peso sino que pueden abarcar también una reducción del tiempo de ciclo, una reducción del costo de material y un aumento en la precisión dimensional. El moldeo de pared delgada implica una guía especial de diseño y a menudo requiere mejoras sobre los equipos, las herramientas y la tecnología del moldeo por inyección estándar.

Ejemplos de técnicas de moldeo para obtener cavidades interiores son el moldeo por inyección asistida por gas, el moldeo por inyección asistida por gases reactivos, moldeo por inyección asistido por agua y el moldeo de fusión de núcleo. Los núcleos o piezas espumadas pueden ser obtenidos por co-inyección, por moldeo de espuma estructural o por moldeo de espuma micro-celular.

Partes multi-componentes (Categoría 3)
Algunas oportunidades de diseño para las piezas multi-componentes son: Multi-material, multi-color (todo visible), núcleo/coraza multi-material y multi-funcional.

Las aplicaciones multi-material y multi-color generalmente son concebidas con propósitos estéticos, funcionales o ambos. Ejemplos de propiedades de piezas tipo multi-material y multi-color que cumplan requerimientos estéticos o funcionales son la diferenciación de colores, los diversos grados de transparencia, las gamas de texturas, la diversidad de rigidez o de permeabilidades a los gases. Entre las técnicas de moldeo que permiten obtener tales requerimientos estéticos o funcionales están el moldeo por inyección multi-componente, el moldeo por intervalo, el moldeo con inserción (en caso de que la inserción sea visible en la pieza terminada) y el moldeo outsert.

Las aplicaciones núcleo/coraza multi-material demandan requerimientos funcionales que son cumplidos por el núcleo no visible y tienen otros requisitos de tipo estético que son reunidos por la coraza. Muestras de requerimientos importantes son la reducción de peso de la pieza, la reducción del costo del material, la utilización de remolido o material reciclado, la modificación de propiedades mecánicas (resistencia, rigidez, flexibilidad), la modificación de la permeabilidad a los gases, la modificación de la conductividad térmica, la mejora de la exactitud dimensional y la mejora del acabado superficial. Ejemplos de técnicas de moldeo que permiten alcanzar tales requerimientos funcionales son el moldeo sobre capa, el encapsulamiento por inyección, la co-inyección (que también aparece en la subcategoría de piezas de peso reducido con núcleo espumado), el moldeo con inserción y el terminado de piezas metálicas.

Una pieza multi-funcional posee diversas características gracias por la integración de dos o más componentes en una sola pieza. Los productos más conocidos en esta subcategoría son las piezas moldeadas con mecanismos interconectados.

Piezas de materiales especiales (Categoría 4)
Algunas oportunidades de diseño para las piezas de materiales especiales están en la creación de material por moldeo reactivo y en el mejoramiento de propiedades de las piezas finales. Muestras muy conocidas de materiales apropiados para el moldeo por reacción son los poliuretanos y los epóxicos.

Ejemplos de técnicas de moldeo reactivo son el moldeo por transferencia de resina, el moldeo por inyección reactiva, SRIM, el moldeo por inyección reactiva reforzada, el moldeo por inyección asistido por gases reactivos y el moldeo de líquido caucho silicona. Las piezas totalmente espumadas o con núcleo espumado, que aparecen en la categoría 2, pueden ser consideradas como materiales especiales también. Otras técnicas que permiten mejorar diversas propiedades son el moldeo por inyección asistido por vibración y el moldeo en sala blanca.

Discusión
En la  Tabla 1 se muestran algunos ejemplos de cómo los requerimientos de producto son tomados como un punto de partida para identificar las variantes aplicables de moldeo por inyección. Es obvio que existen diferentes niveles de requerimientos en el sentido que ciertas especificaciones pueden estar contenidas en otras más generales. Por ejemplo, un gran espesor de pared puede ser una solución para obtener una pieza con alta rigidez. Sin embargo, es claro que existen otras formas de mejorar la rigidez. Por otra parte, un gran espesor de pared puede ser un requerimiento geométrico en sí mismo

La identificación de las opciones de variantes de moldeo debe ser hecha por medio de una selección preliminar de los procesos basada en detalles como la forma y las dimensiones del producto deseado, los factores de costo para equipos y herramientas, las tasas de producción y los requerimientos exigidos al procesador

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