Guía de termoformado

Los plásticos tienen diferentes tamaños, tipos, colores y características como los materiales. La gran variedad de los plásticos los convierten en materiales cruciales para los fabricantes que están interesados en producir prototipos y piezas de uso final. El termoformado es un proceso de fabricación que proporciona a los fabricantes una solución versátil para procesar láminas de plástico. 

En esta guía exhaustiva, aprenderás acerca de los diversos procesos, materiales y equipos de termoformado, además de cómo crear moldes para este método de fabricación, incluidos procesos avanzados como la impresión 3D.

El termoformado es un proceso de fabricación de plásticos que consiste en calentar una lámina de plástico y darle formas específicas utilizando un molde. A continuación, el plástico moldeado se enfría y se recorta para generar la pieza acabada. El proceso se lleva a cabo usando una máquina de termoformado para calentar y estirar la lámina de termoplástico flexible encima del molde. Las máquinas de termoformado modernas suelen estar equipadas para realizar el proceso de recorte, mientras que con otras máquinas más convencionales, el recorte y el enfriamiento se pueden realizar de forma externa.

Los termoplásticos son los materiales que se utilizan para el termoformado. Algunos de estos materiales son el ABS, el poliestireno, el policarbonato, el PETG, etc. La elección del material depende del proyecto de fabricación y de las características que se esperan del objeto producido. 

El termoformado se utiliza en el embalaje para la fabricación de productos agrícolas, productos farmacéuticos, bienes de consumo, electrodomésticos, etc. También se emplea en la fabricación de piezas de uso final resistentes como componentes aeronáuticos, equipos de manipulación de material, interiores de automóviles y equipo médico.

En comparación con otros procesos de fabricación tradicionales, el termoformado permite a los fabricantes producir volúmenes pequeños y grandes de envases y embalajes con un coste asequible. La capacidad de utilizar casi todos los tipos de termoplásticos para producir rápidamente objetos de uso final es otra ventaja importante del termoformado. 

Las desventajas del termoformado incluyen los restringido que está a crear diseños con paredes delgadas, el grosor desigual y su versatilidad limitada para producir piezas con geometrías complejas. Los fabricantes que estén interesados en aprovechar el termoformado pueden utilizar esta guía para saber cómo potenciar sus ventajas y limitar sus desventajas, con el fin de mejorar la productividad y reducir costes.

El termoformado es un proceso de fabricación que engloba todas las distintas formas de las que los fabricantes pueden moldear láminas calentadas de plástico. Un fabricante que elige el proceso de moldeo en vacío o el de conformado a presión está aprovechando el termoformado.

El moldeo en vacío es uno de los procesos de termoformado más comunes.

Aunque existen diversos procesos, las técnicas de termoformado más populares son las siguientes: 

1. Moldeo en vacío: Este proceso de termoformado utiliza el vacío para dar forma a la lámina. En primer lugar, la lámina de plástico se calienta para que sea flexible. A continuación, la máquina de moldeo en vacío extrae el aire, obligando a la lámina a abrazar un molde. El proceso con vacío es conocido por su rentabilidad y por la velocidad del proceso de fabricación. 

2. Conformado a presión: El proceso de conformado a presión es similar en el sentido de que conlleva calentar la lámina de plástico y utilizar el vacío para extraer el aire y forzar la lámina contra un molde. Sin embargo, tiene un paso más. Una prensa aplica presión cuando el aire se ha extraído para que el plástico moldeado mantenga mejor su forma final. El conformado a presión se utiliza cuando se necesita un nivel mayor de detalle del proceso de termoformado.

3. Conformado mecánico: Este proceso incluye el uso de una fuerza mecánica directa para dar forma a la lámina de plástico precalentada. Un macho fuerza a la lámina flexible a llenar un espacio entre el macho y el molde, con lo que los patrones de la superficie quedan grabados en la lámina de plástico. El termoformado mecánico se utiliza cuando hace falta precisión y un alto nivel de detalle. 

4. Conformado con distensión: En el conformado con distensión, la lámina de plástico calentada envuelve un mandril diseñado con patrones específicos. El patrón del mandril se presiona sobre la lámina de plástico para formar la pieza acabada. El proceso de conformado con distensión es una de las técnicas de termoformado más asequibles porque el utillaje que requiere es limitado. Ya que el grosor del material se puede mantener, el proceso no genera debilidades en las piezas. 

5. Estampado con molde y contramolde: Este proceso de termoformado se aplica al fabricar objetos que requieren altos niveles de precisión. El estampado con molde y contramolde consiste en utilizar un molde macho y un molde hembra para dar forma a la lámina de plástico calentada. La máquina de estampado aplica fuerza para comprimir la lámina entre los moldes. Por lo tanto, la lámina adquiere el patrón o forma que se ha diseñado entre los dos moldes.

6. Moldeo de láminas gemelas: Este proceso consiste en moldear a dos capas y combinarlas para formar un único objeto. Las láminas de plástico se calientan de forma simultánea, se moldean y se unen para generar un objeto. El moldeo de láminas gemelas es el mejor proceso para fabricar objetos huecos o que tienen paredes dobles. 

7. Moldeo por soplado: El proceso de moldeo por soplado es una técnica de termoformado libre que no depende de moldes para dar forma al plástico calentado. En este caso, la máquina de moldeo utiliza chorros de aire para formar una burbuja en el plástico hasta que el diseño final adquiera su forma.

El termoformado se utiliza para producir envases y embalajes de alimentos, componentes aeronáuticos, juguetes, palés y otros objetos de plástico. Por consiguiente, es necesario que los fabricantes consideren una gama diversa de materiales de plástico antes de iniciar un ciclo de producción. Estos son algunos de los materiales que más se utilizan para el termoformado: 

1. Polipropileno (PP): El polipropileno es el material de plástico más popular para el termoformado en cuestión de valor y volumen. Se suele usar para embalajes de fabricación, ventiladores, juguetes y otros objetos de plástico. El polipropileno se utiliza por sus propiedades intrínsecas, como su excelente resistencia a los productos químicos, al esfuerzo y al calor. Además, el polipropileno es un material asequible y se puede utilizar con los diversos procesos de termoformado que señalamos aquí. 

2. Poliestireno (PS): Este polímero de hidrocarburos aromáticos proporciona a los fabricantes un plástico transparente, duro y frágil con el que trabajar. Uno de los usos más comunes del poliestireno es el material de termoformado para embalajes, ya que ofrece cualidades como la resistencia al aire y al agua. Los fabricantes utilizan el poliestireno para fabricar embalajes de alimentos, joyeros, carátulas de CD y objetos domésticos. 

3. Tereftalato de polietileno (PET): El PET proporciona buenas propiedades como barrera frente a alcoholes y aceites esenciales, una buena resistencia a los químicos y un grado elevado de resistencia a los impactos y resistencia a la rotura por tracción. Se suele usar para los envases de bebidas gaseosas, botellas de agua y muchos productos alimentarios.

4. Polietileno de baja densidad (PEBD): El PEBD es un termoplástico resistente a los químicos y a los rayos UV. Además, este plástico es flexible y tiene una alta resistencia a la rotura por tracción. Los fabricantes pueden utilizar el PEBD para fabricar películas de embalaje, DVD, aislamiento para cables, recipientes y objetos resistentes a los productos químicos. 

5. Polietileno de alta densidad (PEAD): El PEAD es parecido al PEBD en cuanto a sus características básicas y es conocido por su resistencia a los químicos, los rayos UV y el agua. Es un termoplástico resistente que se puede utilizar para fabricar películas de embalaje, botellas sopladas, recipientes, tuberías y bolsas de plástico. 

6. Cloruro de polivinilo (PVC): El PVC es otro plástico popular que se utiliza para fabricar tuberías, marcos de ventanas, interiores de automóviles, objetos domésticos, paquetes y calzado. El PVC se puede desarrollar para ser rígido o flexible en función de los requisitos del fabricante. Este termoplástico también es denso, duradero y resistente al agua. Es importante destacar que el PVC no es completamente resistente a los productos químicos y puede reaccionar con el cloro.

7. Policarbonato (PC): Los policarbonatos son materiales tenaces y resistentes que pueden soportar ​​grandes esfuerzos de deformación plástica sin agrietarse o romperse. Son resistentes al calor y al fuego y tienen buenas propiedades como aislamiento eléctrico. Algunas gradaciones de policarbonato son transparentes, especialmente cuando se ven expuestas a la luz visible. Los policarbonatos se utilizan para lentes de gafas hechas de plástico, dispositivos médicos, componentes de automóviles, equipos de protección (lentes y cascos de seguridad), vidrios antibalas, faros de coches y en el sector de la construcción.

8. Acetato de celulosa: Los fabricantes que busquen materiales termoplásticos más ecológicos pueden considerar la opción del acetato de celulosa. Este termoplástico está hecho a partir de recursos renovables como pulpa de madera procesada. El acetato de celulosa suele ser incoloro y transparente. Se utiliza para fabricar objetos domésticos, películas de embalaje, marcos para el vidrio y coberturas de medicamentos. 

9. Polimetilmetacrilato (PMMA): Las propiedades del PMMA incluyen una alta tenacidad, resistencia a las inclemencias del tiempo, durabilidad y transparencia. Los fabricantes aprovechan el PMMA para fabricar lentes, faros para vehículos y embalajes transparentes. La durabilidad del PMMA garantiza que las piezas de uso final cumplan su función a largo plazo. 

10. Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS): Las características del ABS son, entre otras, su rigidez, su resistencia a las abrasiones y su resistencia a las bajas temperaturas. Los fabricantes pueden aprovechar el termoformado y el ABS para producir embalajes electrónicos, envases para alimentos y electrodomésticos. 

Otros materiales que los fabricantes pueden utilizar son el politetrafluoroetileno (PTFE), la poliamida y el tereftalato de poletileno (PET). El material elegido dependerá de la técnica de termoformado que se quiera utilizar y los requisitos del proyecto. Esta tabla de aplicaciones puede ayudarte a elegir el material adecuado para tus posibles proyectos. 

La diferencia de tamaño entre las láminas de plástico que se usan en el termoformado es el factor que distingue al termoformado de calibre delgado del de calibre grueso. El equipo de termoformado de calibre delgado se alimenta con láminas delgadas procedentes de rollos de plástico. El termoformado de calibre grueso se realiza con láminas de plástico de gran grosor. Las variaciones de grosor juegan un papel crucial a la hora de elegir el equipo de termoformado. 

Por ejemplo, los fabricantes que deseen producir copas de plástico y embalaje alimentario usan el termoformado de calibre delgado para producir objetos delgados. En cambio, producir palés y recipientes requiere un termoformado de calibre grueso y equipo de apoyo. El equipo de termoformado de calibre grueso está diseñado para una producción de volumen bajo a medio, mientras que el termoformado de calibre delgado está diseñado para una producción de alto volumen. 

He aquí una resumen de los factores que diferencian al termoformado de calibre delgado del de calibre grueso:

Cada proceso de termoformado requiere un equipo especializado. Por ejemplo, se necesitan máquinas distintas para el moldeo en vacío, conformado a presión, moldeo de láminas gemelas o conformado con distensión.

El equipo de termoformado puede dividirse en más categorías definidas por los usos de los productos. Estas categorías están abarcan el equipo de termoformado de escritorio, industrial y casero. Los fabricantes profesionales y los aficionados pueden elegir entre estas opciones en función de su aplicación. 

Para elegir el equipo de termoformado adecuado, se deberían considerar las siguientes especificaciones de los productos: 

• Área de moldeo: El área de formado es el espacio donde se da forma al patrón o diseño de plástico. El área de moldeo está equipada con el/los molde(s) diseñado(s), el macho o el mecanismo que aplica patrones a la lámina de plástico precalentada.

• Profundidad de estiramiento: La profundidad de estiramiento o tasa de estiramiento es crucial para entender el proceso de termoformado. La tasa de estiramiento permite al fabricante saber cuál es el calibre necesario del plástico para cada proyecto de termoformado. Conocer la "profundidad de estiramiento" del equipo que se utiliza permite al fabricante determinar el grosor de la pieza de plástico y la superficie que debería cubrir la lámina de plástico durante el proceso de termoformado. 

• Medidas de la máquina: Las medidas del equipo de termoformado determinan el tamaño de los componentes o piezas de plástico que dicho equipo puede producir. El equipo de termoformado de escritorio es compacto, por lo que sus dimensiones de moldeado son limitadas en comparación con las de las soluciones industriales. 

• Fuerza de apriete: Algunas máquinas de termoformado, como las de conformado a presión, moldeo de láminas gemelas y estampado con molde y contramolde, aprietan la lámina de plástico para dar forma a la pieza acabada. La fuerza de apriete es una consideración importante porque ayuda a determinar el tipo de material que se puede utilizar. 

• Capacidades de cambio de herramienta: Evaluar las capacidades de cambio de herramienta de una máquina de termoformado puede ayudar a los fabricantes a determinar con cuánta rapidez se puede cambiar de herramienta. Un cambio de herramienta más rápida aumenta la eficiencia y la rentabilidad del equipo en la producción. 

Cuando se conozcan las características, un fabricante puede elegir una máquina de termoformado que pertenezca a una de estas categorías: 

• Equipo de termoformado industrial: Máquinas de gran tamaño diseñadas para una producción de volumen medio a alto. Las máquinas de moldeo en vacío industrial son compatibles con una gama más amplia de materiales y grosores de las láminas, ofrecen un estiramiento mayor y tienen fuerzas de vacío o presiones mayores para conformar detalles complejos y obtener una calidad de la pieza similar a la del moldeo por inyección. Algunos ejemplos de equipos de termoformado industriales son las máquina de moldeo en vacío de GN, Ridat, Formech y Belovac. El coste del equipo de termoformado industrial oscila entre 10 000 $ y cifras mucho más altas. 

• Equipo de termoformado de escritorio: Las termoformadoras de escritorio tienen un tamaño más reducido, menor diversidad de materiales y fuerzas menos intensas. Los fabricantes, los desarrolladores de productos y los aficionados utilizan el equipo de termoformado de escritorio para crear prototipos, fabricar piezas personalizadas y realizar una producción de bajo volumen. El precio mínimo del equipo de termoformado de escritorio es de menos de 1000 $, con una amplia variedad de opciones cuyo coste no alcanza los 10 000 $. Algunos ejemplos son máquinas de Formech, Mayku y Smartform.

• Equipo de termoformado casero: Los aficionados que quieran experimentar con el termoformado pueden elegir fabricar su propio equipo casero para una producción de bajo volumen. El equipo casero suele ser más asequible que el equipo de termoformado estándar, pero requiere más experiencia y trabajo manual. 

Las técnicas de termoformado más comunes utilizan moldes con patrones para dar a la lámina de plástico la pieza acabada: el moldeo en vacío, el conformado a presión, el conformado con molde y contramolde, el conformado mecánico y el moldeo de láminas gemelas. 

Los moldes necesarios para el proceso de termoformado se pueden desarrollar mediante diversos procesos de fabricación, como el tallado a mano de madera, el mecanizado CNC de plástico, espuma estructural, fibra de vidrio, materiales compuestos o metales; la impresión 3D de polímeros o la fundición de yeso o metal.

El diseño de los moldes y el proceso adecuado para producirlos dependen del diseño de la pieza y los siguientes factores:

• Volumen de producción: Los moldes de madera, yeso, materiales compuestos y plástico impreso en 3D suelen ser los más rentables para piezas personalizadas, prototipos o una producción de bajo volumen, mientras que los moldes de polímeros o materiales compuestos impresos en 3D, mecanizados o fundidos también son ideales para volúmenes medios de producción. Para la producción de alto volumen, los moldes de metal son los más comunes, por su mejor conductividad térmica y resistencia, que ofrecen un mejor control de la temperatura de la superficie del molde, una mayor uniformidad entre las piezas, tiempos de ciclo reducidos y una mayor durabilidad.

• Diseño de las piezas: Fabricar los moldes a mano con madera puede ser ideal para moldes sencillos, pero para piezas con geometrías complejas que requieren precisión, lo mejor es la fundición y herramientas digitales como el mecanizado o la impresión 3D.

• Temperatura de termoformado: En función del material que se somete al termoformado, el molde puede requerir una mayor resistencia térmica. Incluir canales de enfriamiento en el molde puede mejorar los ritmos de enfriamiento y la uniformidad de las piezas, además de reducir los tiempos de ciclo.

• Fuerzas del termoformado: La herramienta debería ser lo suficientemente fuerte para soportar las fuerzas involucradas en el proceso de termoformado, como la fuerzas de vacío, las presiones o los esfuerzos mecánicos. La intensidad de esas fuerzas dependerá del tipo de material, del calibre de la pieza y de requisitos de calidad de la pieza como el acabado de la superficie y el nivel de detalle.

• Características del diseño del molde: El molde debería incluir elementos esenciales, como múltiples orificios de ventilación para que circule el aire del proceso de moldeo y ángulos de desmoldeo para separar la pieza del molde.

• Acabado de la superficie del molde: Los requisitos de calidad de las piezas, como el acabado de la superficie, el nivel de detalle, la precisión dimensional y la estabilidad se deben tener en consideración cuando se fabrique la herramienta.

Los métodos tradicionales para la producción de molde suelen ser costosos, requerir mucho trabajo manual y tener largos plazos de producción, lo que puede limitar la eficiencia de los procesos de termoformado. 

Muchas empresas están recurriendo a la impresión 3D por estereolitografía (SLA) para crear moldes para los procesos de termoformado (también conocidos como utillaje rápido, 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.

Algunas de las ventajas de usar la impresión 3D para desarrollar moldes de termoformado son las siguientes: 

• Velocidad: Las impresoras 3D pueden crear moldes de tamaño pequeño a medio para el termoformado (en la mayoría de los casos, en menos de 24 horas).

• Rentabilidad: La impresión 3D permite a los fabricantes reducir el coste de la producción de moldes, aumentando considerablemente la rentabilidad del termoformado para series cortas y piezas personalizadas.

• Diseños complejos de moldes: La impresión 3D elimina los desafíos de desarrollar moldes con geometrías complejas utilizando los procesos de fabricación tradicionales. Por ejemplo, la impresión 3D permite incluir detalles del diseño difíciles de mecanizar y el proceso de moldeo se puede mejorar añadiendo más respiraderos de aire para obtener un estiramiento o una presión mejores. Los fabricantes también pueden aprovechar la impresora 3D para desarrollar moldes complejos para procesos de termoformado, como el moldeo de láminas gemelas y el conformado con molde y contramolde. 

• Creación rápida de prototipos de moldes: La impresión 3D da a los fabricantes la capacidad de realizar iteraciones y ensayos de distintos diseños de moldes con rapidez y por un coste reducido. A continuación, los moldes impresos en 3D se pueden utilizar directamente en la fabricación de piezas personalizadas y volúmenes bajos de producción (como el del lanzamiento rápido de productos) hasta que se entregue el molde final.

• Más opciones de materiales: La impresión 3D ofrece una amplia gama de materiales, por lo que los fabricantes pueden experimentar con moldes que tengan diversos niveles de costes, calidad, resistencia al calor y durabilidad.

• Acabado de la superficie: La SLA y las tecnologías de impresión 3D basadas en resina hacen posible un acabado de la superficie liso y un gran nivel de detalle.

• Facilidad de uso: Las impresoras 3D SLA para el escritorio y el banco de trabajo se pueden integrar en cualquier proceso de trabajo de termoformado sin problemas, ya que son fáciles de incorporar, utilizar y mantener, con lo que se puede dedicar el tiempo de CNC y a los operarios cualificados a otras tareas importantes.

Para producir prototipos con termoplásticos, empresa de desarrollo de productos Glassboard aprovecha la 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. 

Los moldes impresos en 3D para termoformado también son ideales para fabricar piezas personalizadas de uso final de una forma rentable. Por ejemplo, el moldeo en vacío y el conformado a presión sobre modelos impresos en 3D es el método habitual para producir alineadores transparentes de ortodoncia.

El moldeo en vacío y el conformado a presión sobre modelos impresos en 3D son los métodos habituales para producir alineadores transparentes de ortodoncia.

Integrar la impresión 3D para agilizar el proceso de termoformado cambia el proceso de trabajo de fabricación tradicional señalado anteriormente. El proceso de trabajo con la impresión 3D incluye los siguientes pasos: 

1. Diseña el molde utilizando una aplicación de CAD.

2. Elige la resina adecuada de nuestro amplio catálogo de materiales e imprime en 3D la pieza con una impresora3D SLA de Formlabs.

3. Introduce el molde impreso en 3D en tu equipo de termoformado y lleva a cabo el proceso de producción.

4. Extrae la pieza y realiza cada uno de los pasos de posacabado estándar que sean necesarios para que el objeto producido quede listo para usar.

Combinar los moldes impresos en 3D y el termoformado mejora el proceso de producción y su flexibilidad, agilidad, escalabilidad y rentabilidad. Valida tu diseño y el material elegido antes de dar el salto a la producción en masa y fabrica series personalizada o limitadas de piezas de uso final con el termoformado y los moldes impresos en 3D.

Descarga nuestro libro blanco para informarte sobre las recomendaciones de diseño, los detalles de los procesos de trabajo, las condiciones de los procesos de moldeo y casos de uso reales con moldes de termoformado impresos en 3D.