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MOLDFLEX: “Fabricación abricación flexible y personalizada de moldes de resina para la inyección de plástico”

1. Marco del proyecto (presentación, objetivos, financiación, socios, etc.) El presente proyecto, financiado por el IMPIVA y cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), tiene por objeto la evaluación de la viabilidad tanto técnica como económica del empleo de técnicas de Rapid Manufacturing como la Estereolit stereolitografía para la fabricación de moldes rápidos de inyección de plástico para series personalizadas, mediante el uso de nuevos materiales basados en resina. El sector de moldes y matrices es uno de los sectores más afectados por la situación actual del mercado, do, caracterizado por la reducción de los ciclos de vida de los productos y por la necesidad de ofrecer a sus clientes producciones personalizadas adaptadas a sus necesidades. Actualmente existen diferentes técnicas para el desarrollo de moldes rápidos basados ba en material metálico. Es de esperar que el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en nuevos materiales amplíe la flexibilidad a la hora de seleccionar la tecnología más adecuada para obtener una ventaja competitiva en la fabricación de un determinado determinado producto. Debido a que en el sector del plástico existe un amplio abanico de productos con unas características muy diversas tanto en materiales materiales como en geometrías, en el proyecto se han establecido las condiciones de aplicación de los insertos fabricados fabricados con las nuevas resinas, de modo que se disponga del rango en el cual competirán tecnológica y económicamente con otros moldes rápidos fabricados por otras tecnologías. Este proyecto ha sido desarrollado por los técnicos de la Unidad de Ingeniería de Producto Pro de AIMME con gran experiencia en la aplicación de tecnologías de Rapid Manufacturing. 2. Actividades ctividades del proyecto Durante este proyecto se ha analizado la fabricación de insertos insertos mediante la Tecnología de Rapid Manufacturing, Estereolitografía tereolitografía (SLA) con n una resina especial que contiene gran parte de carga de nanopartículas no cristalinas, de alta rigidez, capaz de resistir hasta 260ºC. (Resina NanoTool). El proceso de estereolitografía consiste en solidificar capa a capa mediante la acción de un láser, resinas sensibles a la luz ultravioleta en estado líquido a partir de un fichero electrónico CAD 3D.

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Para el desarrollo del proyecto y el cumplimiento de los objetivos que se plantearon, se han realizado 7 actividades que se explican a continuación: •

Tarea 1. Captación y transferencia de resultados de experiencias previas en la obtención de moldes rápidos para la inyección de plástico. plástico

En esta tarea se ha recopilado ado la información de las experiencias existentes en la actualidad en torno a la aplicación n de moldes rápidos para el proceso de inyección de plástico. plástico Se han analizado experiencias previas en la fabricación de moldes con resinas fotosensibles tradicionales (resinas sin carga), resinas que con las que no se obtenían moldes con la calidad y resistencia stencia suficiente como para soportar las condiciones del proceso de inyección. Se han recopilado experiencias previas de fabricación de moldes con resinas fotosensibles cargadas, con las que los moldes fabricados por estereolitografía ya disponían de mejor mejo calidad y de la resistencia adecuada para la inyección. •

Tarea 2. Determinación de las características y requisitos que debe cumplir un molde o matriz convencional para la inyección de plástico.

En n esta tarea se han establecido los requisitos mínimos que deberán cumplir los insertos realizados en resina mediante esta técnica y a través de los cuales se dispondrá de un rango de actuación para la aplicación de estos insertos en casos reales. Se ha recopilado la información relacionada con la fabricación tradicional tradicional de moldes de inyección de plástico, como: •

Plásticos que se inyectan. Material de los moldes: Aceros, aluminios. Etapas de fabricación de un molde

Tarea 3. Validación del uso de las resinas con un molde de inyección de plástico real:

En esta fase se ha realizado la verificación de la aplicabilidad de la tecnología de Estereolitografía a un molde industrial. Para ello se realizaron las siguientes subtareas: •

Definición del criterio de selección de un molde de inyección. Selección de un molde de inyección iny de plástico actual Desarrollo del proceso de fabricación de insertos para moldes rápidos. Ensayos reales mediante la inyección de piezas de plástico utilizando los insertos fabricados. Estudio de viabilidad de los insertos de resina

Tarea 4. Desarrollo rollo de experimentos

En esta etapa se han definido diversos experimentos con el fin de conocer las limitaciones para la utilización de esta nueva técnica. técnica El objetivo de esta etapa es conocer el rango de aplicación de estas resinas para la fabricación de moldes de inyección de plástico, mediante el uso de dos polímeros de los más usuales en el sector de la inyección de plástico. Se realizaron las siguientes subtareas: -

•

Definición de los experimentos Fabricación de los insertos Ensayos reales mediante la inyección de piezas de plástico utilizando los insertos fabricados.

Tarea 5 .Establecimiento de las condiciones de aplicación

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En esta tarea se han recopilado recopilado las condiciones de la aplicación de estas resinas, las limitaciones que se hayan encontrado, los comentarios del matricero que ha trabajado con ellos, el inyector, los proveedores del material que siempre indican de forma muy escasa ciertas peculiaridadess del trabajo y uso de estas resinas. resinas •

Tarea 6. Mejora del proceso de fabricación de insertos

Tras ras el análisis de las piezas obtenidas con los moldes de nanotool fabricados, de las experiencias reales realizadas, y de las indicaciones de los proveedores del de material se establecieron actuaciones para mejora de los insertos fabricados con esta tecnología. •

Tarea 7. Transferencia de tecnología y acciones de difusión de este proceso de fabricación de moldes rápidos.

3. Resultados Los resultados del proyecto se muestran mu a continuación: En principio se consideró la posibilidad de utilizar un molde existente parea replicarlo con la tecnología a validar en este proyecto, pero para no falsear los resultados de las pruebas, se decidió fabricar un molde expresamente para el proyecto. Para ello se contó con la colaboración de la empresa Matricería Caspe S.L. La geometría a fabricar consistió en una pieza sencilla rectangular de dimensiones 60*20*3mm, con los logotipos de AIMME y Matricería Caspe.

Figura 1. Ambas caras de la pieza a fabricar

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Figura 2. Diseño del molde Los dos insertos de dimensiones 86* 56*20 mm se fabricaron fabricaron utilizando el equipo Viper Si2 S de 3Dsystems en un periodo de 11.5 horas y con la resina NanoTool de la empresa DSM Somos. La resina NanoTool tiene un módulo a la flexión de 10,500 MPa, una temperatura de distorsión por calor (HDT) de 260°C (a 0.46 MPa tras curado térmico) y una contracción lineal de menos de 0,001 pulgadas.

A continuación se muestran imágenes del proceso de fabricación fabricaci (Figura 3- izq.), izq. en la que se observa la resina en estado líquido y el láser como va solidificando la geometría del CAD mostrada en las imágenes anteriores. En la figura 3-derecha se muestra el resultado de las piezas.

Figura 3. Proceso de fabricación-Moldes fabricaci fabricados con SLA A continuación se procedió a su limpieza con alcohol y se sometieron a un proceso de postpost curado en una cámara ultravioleta durante 30 minutos por cada cara hasta completar el proceso de fabricación.

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Figura 4. Limpieza y post-proceso de los insertos Por último se fresó, rectificó y ajustó los insertos. Paralelamente se mecanizó la cavidad necesaria para alojar los insertos en dos placas estándar de aluminio que hicieron la función de portamoldes. El trabajo realizado a los postizos de NanoTool se puede valorar mediante el número de horas que llevó todas las operaciones de postprocesado tras la fabricación del postizo con estereolitografía. PROCESO Acabado postizos, fresado, taladrado, roscado, escariado y ajuste de los postizos de NanoTool Preparación del porta molde de aluminio, cajeras, vástago, aro centrador, taladrado, rectificado y punteado

TIEMPO 6h 8h

Debido a que el material del inserto es frágil uno de los agujeros partió durante el proceso de acabado del postizo,, originando posteriormente un defecto en el molde que se refleja en todas las piezas inyectadas. En la imagen siguiente se marca el defecto que aparece en la pieza debido a este percance.

Figura 5. Defecto en pieza debido al proceso de acabado del postizo Los insertos se colocaron en las cajeras correspondientes y se procedió a la inyección de Polipropileno. Se ajustaron los parámetros de presión y temperatura en las primeras inyectadas siguiendo el proceso convencional para la estabilización del molde.

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Figura 6. Colocación de los insertos en máquina Finalmente los parámetros del proceso de inyección fueron: Plástico a inyectar: POLIPROPILENO; Temperatura de inyección: 180ºC; 180º Tiempo de ciclo estable: 55 segundos; segundos Presión de inyección: 70 bar;; Tiempo de post presión: 6 segundos/75 bar. Se inyectaron 43 piezas (no válidas) hasta estabilizar el proceso, una cantidad normal en el proceso de inyección de piezas. Una vez estabilizado zado el proceso se obtuvieron 120 unidades correctas. A continuación se muestran las piezas inyectadas. inyectadas Tras el análisis de los resultados por parte del matricero e inyectador con una experiencia más que comprobada en la fabricación de piezas de plástico, afirmaron que se podría inyectar más de 1000 piezas sin ningún problema dada las características de los moldes y de la calidad de las piezas obtenidas (Figura ( 7)

Figura 7. Piezas inyectadas Observando las piezas obtenidas, el matricero e inyector confirmaron que no había ninguna diferencia de calidad en las piezas obtenidas con los insertos de resina fabricados con la tecnología de Estereolitografía de las que se hubieran obtenido por mecanizado mecanizado tradicional. Tras la primera experiencia exitosa, se estableció un plan de experimentos en los que se fabricaron dos insertos más con el mismo diseño de pieza y se comprobó si eran capaces de soportar condiciones más críticas mediante la inyección de otros materiales.

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Figura 8. Fabricación de dos juegos de insertos para las nuevas experiencias planteadas Dado que los materiales a inyectar durante esta experiencia son más agresivos, se ha sometido a los postizos a un tratamiento térmico para aumentar su resistencia a la temperatura, pudiendo soportar 260 ºC. Se han realizado las siguientes pruebas en los dos juegos de postizos fabricados: JUEGO DE POSTIZOS 1: Inyección del material ASA, similar al ABS: Se ha iniciado el proceso partiendo de los parámetros parámetros de máquina estándares para el caso de la inyección de este tipo de material en un molde de acero convencional, a partir de ahí se han ido modificando los parámetros con el fin de estabilizar el proceso de inyección. El material se inyecta a una temperatura de 220 ºC y es bastante blando, si además se une la no transferencia de calor de la resina NanoTool, provocó que no se evacuara el calor de la inyectada de manera que si el molde se abría con un tiempo de ciclo normal normal (50 segundos), la pieza salía demasiado blanda y se podía deformar con las manos.

Figura 9. Pieza inyectada similar al ABS Se comprobó que en las piezas aparecían burbujas por aire atrapado, para intentar minimizar este efecto se aumentó a 90 segundos segundos el tiempo de ciclo y se aumento la presión de inyección a 100 bar para que con esa presión los posibles gases salieran de la huella del molde. Finalmente tras la inyección de 40 piezas no se estabilizó esta el proceso. JUEGO DE POSTIZOS 1: Poliamida con 30 % de carga de vidrio Dado que el juego de postizos se encontraba intacto, se cambió de material y se inició la inyección de poliamida con 30 % de carga de vidrio, material muy agresivo por el aporte de fibra de vidrio que tiene. AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico http://www.aimme.es

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Se iniciaron las inyectadass con parámetros más suaves de los habituales para no perjudicar perjudic el molde desde el principio. Con estas condiciones condiciones los moldes no soportaron, rompiéndose las huellas en las zonas de las letras.

Figura 10.. Pieza de poliamida con 30% de carga de vidrio. JUEGO UEGO DE POSTIZOS 2: Poliamida con 10 % de carga de vidrio y 20 % de microesferas See inició la inyección de la poliamida con 10 % de carga de vidrio y una 20 % de microesferas, mucho menos abrasivo y agresivo que la poliamida con 30 % de fibra de vidrio. Pese Pe a la suavidad de los parámetros de inyección, a la primera inyectada se rompió el molde tal y como se muestra en la siguiente imagen:

Figura 11. Pieza de poliamida con 10% de carga de vidrio y 20% de microesferas Tras la realización de todas las actividades, sobre todo tras el análisis de los resultados de las piezas fabricadas mediante estos insertos y la comparativa realizada con piezas convencionales se han establecido las condiciones de aplicación de la fabricación fabricación de moldes rápidos con esta técnica de fabricación de insertos. En la que se establecen los plásticos que pueden inyectarse, los tamaños de insertos, las limitaciones geométricas, radios, particularidades en el diseño del molde, preparación del molde y particularidades de la inyección.

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4. Aplicaciones Como resultado del proyecto es posible concluir que el uso de la tecnología de estereolitografía y en concreto a la fabricación de moldes con resinas cargadas es válido para la inyección de plásticos como polipropileno y polietileno. En el caso de materiales más agresivos será necesario mejorar las características de estos moldes para que soporten las la condiciones iones del proceso de inyección.

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