Guía de utillaje rápido

Moldeo por inyección es uno de los procesos de fabricación más populares para las piezas de termoplásticos, silicona o goma. A causa de los elevadísimos costes de la fabricación tradicional de utillaje de metal, también es el proceso que más se puede beneficiar del utillaje rápido. 

Con impresoras 3D de sobremesa asequibles y materiales de impresión 3D resistentes a la temperatura, es posible fabricar moldes de inyección impresos en 3D en tus propias instalaciones para crear prototipos y pequeñas piezas funcionales con plásticos de producción. 

Para la producción de bajo volumen (entre 10 y 1000 piezas), los moldes de inyección impresos en 3D suponen un ahorro de tiempo y dinero en comparación con los moldes de metal, que suelen resultar costosos. También hacen posible un enfoque más ágil para la fabricación y el desarrollo de productos, permitiendo a los ingenieros y los diseñadores crear prototipos funcionales o bajos volúmenes de piezas de uso final con los que validar la elección del material y seguir realizando iteraciones de sus diseños con plazos de producción y costes reducidos antes de invertir en utillaje duro.

La impresión 3D por estereolitografía (SLA) ofrece una alternativa rentable al mecanizado de moldes de aluminio o acero. Las piezas impresas en 3D mediante SLA son completamente sólidas e isotrópicas y hay materiales disponibles con una temperatura de flexión bajo carga de hasta 238 °C a 0,45 MPa, por lo que pueden soportar el calor y la presión del proceso de moldeo por inyección.

El fabricante por contrato Multiplus, con sede en Shenzhen, utiliza moldes de inyección impresos en 3D con la Rigid 10K Resin (un material con gran contenido de partículas de vidrio y resistente al calor) en impresoras 3D SLA de Formlabs, acortando los plazos de producción para los lotes pequeños de en torno a 100 piezas moldeadas por inyección de cuatro semanas a solo tres días.

Otros ejemplos son los extensores de mascarillas de la empresa petroquímica Braskem y los prototipos y piezas previas a la producción para los clientes de Holimaker, un fabricante de máquinas de moldeo por inyección manuales.

Una alternativa para una producción de volumen medio de entre 500 y 10 000 piezas es la mecanización de moldes a partir de aluminio, que también puede reducir los costes asociados a la fabricación de moldes. Mecanizar el aluminio es entre cinco y diez veces más rápido que hacerlo con el acero y desgasta menos las herramientas, con lo que se obtienen plazos de producción más cortos y un coste menor. Además, el aluminio conduce el calor con más rapidez el acero, por lo que es menos necesario crear canales de enfriamiento y los fabricantes pueden simplificar los diseños de sus moldes sin dejar de tener tiempos de ciclo cortos.

El termoformado es un proceso de fabricación que engloba todas las distintas formas de las que los fabricantes pueden moldear láminas calentadas de plástico, como el moldeo en vacío y el conformado a presión. Los procesos de termoformado dan a los fabricantes la capacidad de fabricar piezas a partir de una gama diversa de materiales termoplásticos, así como de materiales compuestos. 

Muchas empresas recurren a la impresión 3D SLA para crear moldes para procesos de termoformado, porque ofrece un plazo de producción rápido a un precio bajo, especialmente con series cortas de producción, piezas personalizadas y diseños de prototipos. La impresión 3D también ofrece una libertad de diseño incomparable para crear moldes complejos y detallados. Utiliza la impresora SLA de escritorio Form 3+ para producir moldes pequeños y la impresora SLA de gran formato Form 3L para moldes de hasta 33,5 × 20 × 30 cm.

La empresa de desarrollo de productos Glassboard aprovecha la gran velocidad de impresión de la Draft Resin para producir rápidamente moldes y termoformar prototipos de policarbonato como carcasas de cascos o embalajes. Se pueden obtener formas complicadas para los moldes que resultarían difíciles de fabricar de forma tradicional, como pequeños detalles y agujeros para una distribución del vacío aún mejor por la superficie.

Antes, el fabricante de cosméticos Lush fabricaba a mano los moldes maestros de sus populares productos. Sin embargo, recurrieron recientemente a la impresión 3D para crear moldes de moldeo en vacío con diseños detallados y con texturas, lo que permitió a sus empleados llevar las ideas del concepto a la realidad en menos de 24 horas y probar más de mil ideas de diseño cada año.

El utillaje rápido impreso en 3D también es ideal para fabricar piezas personalizadas de uso final. Por ejemplo, el moldeo en vacío sobre modelos impresos en 3D es el método habitual para producir alineadores transparentes de ortodoncia.

Los materiales compuestos de alto rendimiento como la fibra de carbono también se pueden laminar a mano sobre moldes impresos en 3D. Las impresoras 3D SLA ofrecen un acabado de la superficie liso que es esencial para moldes por contacto.

El equipo de Fórmula Student de TU Berlín lamina a mano piezas de fibra de carbono sobre moldes impresos en 3D para coches de competición. El molde, impreso con la Tough 1500 Resin, no solo es fuerte y sirve de apoyo durante la laminación, sino que también es lo suficientemente flexible para separar la pieza del molde después de curarla, con lo que se crean nuevas posibilidades de diseño.

El utillaje rápido con moldes impresos en 3D se puede emplear también para moldear piezas de plástico, silicona o goma, así como para insertos de sobremolde o hardware interno. 

El equipo de Google ATAP usó piezas de sustitución impresas en 3D en vez de subconjuntos electrónicos sobremoldeados para el ajuste inicial de las herramientas en la fábrica.

Los diseñadores del laboratorio de Tecnología y Proyectos Avanzados de Google (ATAP) pudieron reducir sus costes en más de 100 000 $ y acortar su ciclo de ensayo desde tres semanas a solo tres días usando una combinación de impresión 3D y moldeo por inserción. El equipo de Google ATAP descubrió que al imprimir en 3D piezas de ensayo, podían ahorrar tiempo y dinero respecto a usar piezas electrónicas que provenían de un proveedor.

Dame Products, una empresa emergente de Brooklyn, diseña productos para el sector de la salud y el bienestar. Utiliza moldeo por inserción de silicona para encapsular el hardware interno de los prototipos beta destinados a los clientes. La línea de productos de Dame Products incluye geometrías complejas ergonómicas cubiertas por completo por una capa de silicona de colores llamativos que no daña la piel.

Los ingenieros pueden crear prototipos de decenas de dispositivos sobremoldeados y moldeados por inserción en un solo día rotando entre tres o cuatro moldes creados mediante impresión 3D SLA. Así, mientras la goma de silicona de uno de los prototipos se está curando, se puede desmoldar el siguiente y preparar el molde para rellenarlo de nuevo. Al mismo tiempo, también se pueden acabar y limpiar los prototipos desmoldados. Cuando la empresa recibe uno de sus prototipos de hardware de vuelta, se lava el dispositivo beta en lejía, se retira la fina capa de silicona y se reutiliza el hardware interno en un nuevo prototipo beta.

El utillaje rápido impreso en 3D para el moldeo por compresión se puede aprovechar para la producción de piezas de termoplásticos, silicona, goma y materiales compuestos. La impresión 3D puede ser el método más económico y rápido para la creación de prototipos de piezas de tamaño pequeño o medio. Se pueden realizar rápidamente múltiples iteraciones con software CAD, volver a imprimirlas y después someterlas a ensayo. El uso más común de la impresión 3D en este ámbito es la creación de moldes por compresión pensados para aplicaciones sin calor.

Los desarrolladores de productos de OXO, una empresa que fabrica electrodomésticos, utilizan la impresión 3D para crear prototipos de componentes de goma como juntas, mediante el moldeo por compresión de silicona en dos piezas con moldes impresos en 3D.

Los ingenieros, los diseñadores, los joyeros y los aficionados pueden aprovechar la velocidad y la flexibilidad de la impresión 3D combinando procesos de fundición de metal como la fundición indirecta a la cera perdida, la fundición directa a la cera perdida, la fundición de peltre y el moldeado en arena con patrones impresos en 3D o vertiendo el metal en moldes impresos en 3D. Las piezas de metal fundido para las que se utiliza utillaje rápido impreso en 3D se pueden producir en un tiempo inferior al que se invierte en la fundición tradicional y por un coste considerablemente menor que el de la impresión 3D de metal. 

Las impresoras 3D de estereolitografía ofrecen una alta precisión y su amplia oferta de materiales las hacen adecuadas para procesos de trabajo de fundición que pueden producir piezas de metal a bajo coste, con una mayor libertad de diseño y en menos tiempo que con los métodos tradicionales. 

Tradicionalmente, los modelos para la fundición directa a la cera perdida se esculpían a mano o a máquina si la pieza es única o se espera que solo se produzca un puñado de unidades. En cambio, con la impresión 3D, los joyeros pueden imprimir los patrones directamente en 3D, eliminando las limitaciones de diseño y de tiempo que son habituales en otros procesos. 

De forma parecida a la fundición a la cera perdida, la impresión 3D se puede utilizar para crear patrones para el moldeado en arena. En comparación con materiales tradicionales como la ​​madera, la impresión 3D permite a los fabricantes crear formas complejas y pasar directamente del diseño digital a la fundición. 

Con la impresión 3D, los fabricantes también pueden imprimir en 3D directamente el molde para su patrón utilizando materiales como la High Temp Resin o la Rigid 10K Resin, resinas con una gran resistencia a la temperatura. Se puede utilizar el mismo método para crear moldes para la fundición directa de peltre.

Aparte de para los metales, la fundición también es un método popular para producir piezas de silicona y plástico para productos sanitarios, productos audiológicos, aplicaciones aptas para la alimentación y más.

La empresa de productos sanitarios Cosm fabrica pesarios a medida de pacientes con trastornos del suelo pélvico. Sus empleados imprimen moldes en una impresora 3D SLA e inyectan silicona médica biocompatible en su interior para crear la pieza. El utillaje rápido con la impresión 3D les permite crear piezas impresas sin los costes elevados del utillaje tradicional.

Fabricar moldes auriculares personalizados con la impresión 3D también ha revolucionado el sector de la audiología en aplicaciones como audífonos, protecciones contra el ruido y auriculares hechos a medida. La fabricación digital otorga un mayor control y precisión en comparación con la producción tradicional de moldes, lo que reduce notablemente el número de errores y repeticiones.

El utillaje rápido impreso en 3D también ofrece algunas propiedades interesantes para el conformado de chapa. Las impresoras 3D SLA, que se caracterizan por una alta precisión y un acabado de la superficie liso, son capaces de fabricar herramientas con detalles muy precisos, lo que contribuye a que sean repetibles. Gracias a un amplio catálogo de materiales con diversas propiedades mecánicas, elegir una resina adaptada al caso de uso específico puede optimizar el resultado del conformado. Las resinas para SLA son isotrópicas y se mantienen bastante estables bajo un esfuerzo en comparación con otros materiales de impresión 3D. El utillaje de plástico también puede eliminar un paso de pulido, ya que los troqueles de plástico no dejan marcas en la chapa como las de los troqueles de metal. 

El mecanismo es similar al proceso de trabajo del conformado de chapa. La diferencia está en el diseño y la impresión de la herramienta de dos piezas hecha de troqueles superiores e inferiores. La lámina virgen se coloca entre ambos troqueles de plástico y se comprime usando una prensa hidráulica u otro equipo de conformado.

La impresión 3D es el modo más rápido y asequible de producir utillaje rápido para diversas aplicaciones. Como hemos visto en los ejemplos anteriores, el utillaje rápido tanto directo como indirecto utiliza las capacidades de las impresión 3D de formas diferentes para desarrollar herramientas funcionales, como moldes, patrones y troqueles, para diversos procesos de fabricación tradicionales.

De entre los distintos procesos de impresión 3D, las impresoras 3D SLA son las que ofrecen las soluciones más versátiles para el utillaje. La piezas impresas en 3D mediante SLA son precisas, estancas, tienen un acabado liso de la superficie que es ideal para moldes y pueden reproducir detalles pequeños para moldes y patrones complejos.

Los materiales de alto rendimiento para SLA también pueden integrarse fácilmente en procesos de trabajo industriales para fabricar moldes y patrones resistentes, lisos y detallados, capaces de producir de cientos a miles de piezas en condiciones de moldeo exigentes.

La impresión 3D SLA ha hecho que el utillaje rápido in situ sea más accesible que nunca. Es posible crear estaciones de trabajo de impresión 3D con un presupuesto razonable y utilizarlas con facilidad en tus propias oficinas, lo que da a las impresas la capacidad de producir utillaje rápido en menos de 24 horas y realizar iteraciones de los diseños con más rapidez que con cualquier otro proceso.

El mecanizado es uno de los métodos más comunes para fabricar utillaje convencional y utillaje duro, pero también se puede aprovechar para crear utillaje rápido. En vez de con metales resistentes como el acero o aleaciones de níquel, el utillaje rápido se suele mecanizar a partir de planchas para mecanizado, madera, plástico o aluminio.

En comparación con el utillaje impreso en 3D, el utillaje mecanizado a partir de materiales blandos puede ser más eficiente para crear utillaje de gran formato y formas sencillas, pero el trabajo manual y el dinero que exige crece de manera proporcional a la complejidad del diseño. El utillaje de aluminio tiene mayor durabilidad y se suele usar para la producción de volumen bajo a medio, especialmente en el caso del moldeo por inyección.

Las herramientas de mecanizado son más caras, requieren un operario con formación específica y tienen un proceso de trabajo complejo para la producción in situ si se las compara con la impresión 3D, especialmente para piezas únicas como las iteraciones consecutivas de prototipos de utillaje rápido. Por consiguiente, muchas empresas externalizan el mecanizado a proveedores de servicios, pero esto a menudo conlleva plazos de entrega que duran semanas y la rapidez del utillaje rápido disminuye.