He trabajado en diseño y fabricación de productos durante aproximadamente 11 años, trabajé mucho con empresas de electrónica de consumo y algunos proveedores de automóviles, y el moldeo por inyección es simplemente la forma predeterminada de fabricar piezas de plástico en cualquier tipo de volumen. Hay otros procesos como la impresión 3D o el mecanizado CNC de plástico, pero una vez que se necesitan más de 500-1000 unidades, el moldeo por inyección se convierte en lo único que tiene sentido económico para la mayoría de las aplicaciones.
¿Por qué el moldeo por inyección se hizo cargo de todo?
El proceso en sí es bastante sencillo:-derretir bolitas de plástico, inyectarlas a alta presión en un molde, dejarlas enfriar y expulsar la pieza. Repetir. Las máquinas modernas pueden realizar este ciclo en unos 15 a 30 segundos para piezas pequeñas, tal vez entre 60 y 90 segundos para piezas más grandes. Vi una máquina de moldeo por inyección de Haitian Mars en una fábrica en Shenzhen producir fundas para teléfonos inteligentes en aproximadamente 40 segundos por ciclo, y eso fue para una pieza bastante compleja con múltiples características internas. El costo de las herramientas fue de alrededor de $12,000 USD (el gerente de la fábrica me dijo esto en 2018, los precios definitivamente han subido desde entonces).
Lo que lo hace tan dominante es la combinación de velocidad, repetibilidad y opciones de materiales. Una vez fabricado el molde, cada pieza cuesta unos centavos en material y tiempo de máquina. Una pieza de ABS de 50 gramos podría utilizar material por un valor de 0,15 dólares, y si el tiempo del ciclo es de 30 segundos, son 120 piezas por hora. Incluso teniendo en cuenta los costos de tiempo de la máquina y la mano de obra, se estaría considerando entre 0,30 y 0,50 dólares por pieza en una producción de 10000+ unidades.
Compare esto con el mecanizado CNC, donde paga por el desgaste de la herramienta, tiempos de ciclo más largos, desperdicio de material y tiempo de operador calificado. Calculé el precio de un diseño de gabinete simple una vez que-el moldeo por inyección llegó a $ 0,82 por pieza para 5000 unidades, incluidas las herramientas amortizadas. El mecanizado CNC de la misma pieza se cotizó a 6,40 dólares por pieza. Ni siquiera cerca.
Los dispositivos médicos se han vuelto extraños con esto
Las piezas médicas moldeadas por inyección son un mundo completamente diferente debido a las regulaciones de la FDA y los requisitos de esterilización. Los materiales deben ser biocompatibles, lo que limita significativamente sus opciones. La mayoría de los fabricantes médicos utilizan materiales como policarbonato, polipropileno o grados especializados de polietileno. PEEK es popular para instrumentos quirúrgicos porque puede soportar repetidos tratamientos en autoclave sin degradarse, pero las herramientas de PEEK son costosas porque las temperaturas de procesamiento son muy altas (alrededor de 370 a 400 grados según las especificaciones de la hoja de datos de Victrex, victrex.com).
Hace unos años trabajé en un proyecto de dispositivo médico desechable, simplemente una simple bandeja moldeada por inyección para procedimientos dentales. Sólo la validación del material tomó 4 meses porque tuvimos que realizar pruebas de biocompatibilidad según las normas ISO 10993. El diseño de la pieza real se realizó en 3 semanas. La documentación reglamentaria tardó otras 6 semanas. Esta es la razón por la que las piezas médicas moldeadas por inyección cuestan entre 3 y 5 veces más que las piezas de consumo equivalentes, incluso cuando son diseños más simples.
La compatibilidad de la esterilización es mucho más importante de lo que piensan la mayoría de los ingenieros. La esterilización por radiación gamma puede hacer que algunos plásticos se vuelvan amarillos o quebradizos. La esterilización con EtO (óxido de etileno) es más suave pero tiene problemas de absorción con ciertos materiales. La esterilización en autoclave requiere materiales estables a 121-134 grados con exposición al vapor. La elección del material depende de cómo el cliente planea esterilizar el producto, no solo de los requisitos mecánicos.
Piezas de automóvil que nadie ve
Los componentes automotores-bajos del capó son brutales con los materiales plásticos. Tiene ciclos de temperatura de -40 grados a más de 120 grados, exposición a aceites y combustibles, vibraciones y requisitos de larga vida útil (15+ años normalmente). Esta es la razón por la que el moldeo por inyección de automóviles utiliza una gran cantidad de nailon-relleno de vidrio y materiales especiales de alta temperatura.
Los colectores de admisión solían ser piezas fundidas de aluminio, pero ahora son en su mayoría nailon relleno de vidrio-moldeado por inyección. Creo que BMW empezó a hacer esto a finales de los 90, y todo el mundo lo siguió. El ahorro de peso es significativo-un colector de admisión de plástico puede ser entre un 40 y un 50 % más ligero que su equivalente de aluminio. Según algunos análisis de un documento de conferencia de la Sociedad de Ingenieros Plásticos (spe.org, conferencia de la división automotriz de 2015), el cambio a colectores de admisión de plástico redujo el peso del vehículo en un promedio de 3 a 4 kg por vehículo, lo que se traduce en una mejora de aproximadamente 0,1 a 0,15 mpg en el ahorro de combustible. No parece mucho, pero multiplícalo por millones de vehículos.
Los conectores y carcasas de sensores son otra categoría enorme. Cada sensor de un automóvil moderno-temperatura, presión, posición, velocidad, lo que sea-tiene una carcasa moldeada por inyección. Estos deben estar sellados contra el agua y el polvo (generalmente con una clasificación mínima de IP67), soportar vibraciones y mantener la estabilidad dimensional en todo el rango de temperaturas. Las tolerancias también pueden ser estrictas, como ±0,05 mm para funciones de acoplamiento en conectores eléctricos.
He visto moldes de conectores para automóviles que cuestan 80 000 -120 000 USD porque son moldes familiares que fabrican varias piezas, con acciones laterales para socavados y una construcción de acero endurecido para los más de millones de ciclos de vida de piezas necesarios. Sin embargo, el costo por pieza termina siendo inferior a $ 0,20 cuando se ejecuta ese tipo de volumen.
La electrónica de consumo es donde está el dinero
Carcasas para teléfonos inteligentes, fundas para portátiles y marcos para tabletas-todos moldeados por inyección. Los requisitos de acabado de superficies son una locura en comparación con otras industrias. Necesita acabados de superficie del molde A1 o A2 (estándares SPI), lo que significa un pulido exhaustivo de la cavidad del molde. Un buen pulidor de moldes puede tardar semanas en pulir a mano-una cavidad grande hasta obtener un acabado tipo espejo.
Apple hace cosas con moldeo por inyección que otras empresas luchan por replicar. La MacBook de policarbonato unibody de 2009-2010 fue moldeada por inyección en una sola pieza, lo que requirió una gran experiencia en fabricación de moldes y control de procesos. La mayoría de los fabricantes lo dividirían en varias partes porque es difícil obtener un espesor de pared uniforme y evitar marcas de hundimiento en algo tan grande.
La elección de materiales en la electrónica de consumo ha cambiado mucho durante la última década. El ABS solía ser el predeterminado para todo, ahora se ve mucho más policarbonato, mezclas de PC/ABS y materiales PPO modificados. Parte de esto son los requisitos de retardo de llama.-La clasificación UL94 es importante para cualquier cosa que tenga componentes electrónicos en su interior. La mayoría de las cosas necesitan al menos una clasificación V-1, muchas aplicaciones requieren V-0. Esto limita los materiales y aditivos que puede utilizar.
La combinación de texturas y colores es una pesadilla en la electrónica de consumo. Trabajé con una empresa que fabricaba dispositivos periféricos (teclados, ratones, ese tipo de cosas) y tenían 23 revisiones de la textura de un producto porque el marketing seguía cambiando de opinión sobre cómo debería sentirse. Cada revisión de textura implicó volver a pulir la cavidad del molde con diferentes electrodos de electroerosión o procesos de grabado químico. El fabricante de moldes cobraba como 2.000 dólares por revisión de textura.
La combinación de colores entre diferentes plásticos también es más difícil de lo que debería ser. Si tiene un producto con una cubierta superior de PC y una carcasa inferior de ABS, lograr que tengan exactamente el mismo color cuando se moldean es complicado porque los diferentes materiales toman los colorantes de manera diferente. Terminas con masterbatches de colores personalizados y muchas molduras de prueba para marcarlo.
El packaging es el gigante oculto
Nadie piensa en envases moldeados por inyección, pero son enormes en términos de volumen. Solo tapas de botellas-hay una estadística en alguna parte que dice que se fabrican alrededor de 2 mil millones de tapas de botellas de plástico diariamente en todo el mundo (no puedo encontrar la fuente exacta en este momento, pero estaba en un artículo de Plastics News de hace unos años). Cada botella de agua, botella de refresco, jarra de leche y botella de champú tiene una tapa moldeada por inyección.
Envases de alimentos, envases de cosméticos y frascos de medicamentos-todos moldeados por inyección. Los requisitos son diferentes a los de otras aplicaciones porque se necesitan materiales-seguros para los alimentos (nuevamente regulaciones de la FDA) y buena resistencia química. El polipropileno domina este espacio porque es barato, -seguro para los alimentos y químicamente inerte. El HDPE también es común, especialmente para botellas y contenedores que necesitan cierta flexibilidad.
Las molduras de pared delgada-para contenedores de alimentos son su propia especialidad. Estamos hablando de espesores de pared de 0,5-0,8 mm, lo que requiere altas velocidades de inyección y máquinas especializadas con un buen control del disparo. Sin embargo, los tiempos del ciclo son rápidos, como de 4 a 8 segundos para un recipiente de yogur. Visité un fabricante de envases en Italia que utilizaba moldes de 48 cavidades para pequeños recipientes de alimentos y fabricaba miles de piezas por hora en una sola máquina.
Los costos de herramientas para los moldes de embalaje son interesantes porque a menudo son moldes familiares (múltiples tamaños de cavidades) o moldes de múltiples-cavidades con un número de cavidades increíble. Un molde para tapas de botellas de 96-cavidades puede costar $150,000+ pero cuando se fabrican decenas de millones de piezas, el costo de herramientas por pieza se vuelve insignificante.
Aplicaciones industriales y de construcción que duran para siempre
Armarios eléctricos, cajas de conexiones y carcasas de interruptores-toneladas de piezas moldeadas por inyección en edificios y equipos industriales. Los requisitos del material son diferentes aquí porque necesita resistencia a los rayos UV (si está al aire libre), retardo de llama y resistencia al impacto. El ABS no funcionará para aplicaciones en exteriores porque se degrada con la exposición a los rayos UV. ASA es mejor pero más caro. El policarbonato funciona pero se vuelve amarillo con el tiempo. Siempre hay compromisos.
Las piezas de gestión de cables, como sujetacables, sujetacables y prensaestopas, se moldean en su mayoría por inyección. El nailon es popular por su dureza y resistencia química. He trabajado con sujetacables M20 y M25 que necesitan mantener el sellado IP68 después de instalarlos y quitarlos varias veces.-Las tolerancias dimensionales en las roscas y las superficies de sellado deben ser ajustadas (±0,1 mm o mejor en características críticas).
Los accesorios de tubería y los componentes de plomería también son una categoría importante. Los accesorios de PVC y PP se moldean por inyección, aunque los de gran diámetro suelen fabricarse mediante otros procesos. Las clasificaciones de presión importan-un accesorio con capacidad para 150 PSI necesita paredes más gruesas y mejores propiedades de material que uno con capacidad para 50 PSI. Los grados de los materiales se especifican según las normas ASTM y los requisitos de prueba se detallan en elementos como ASTM D2846 para accesorios de PVC.
Juguetes y productos recreativos.
Obviamente los juguetes son en su mayoría de plástico moldeado por inyección. Los ladrillos LEGO son el ejemplo clásico-fabricados con tolerancias increíblemente estrictas (±0,01 mm o algo así) para que encajen perfectamente en todo momento. Creo que LEGO usa ABS exclusivamente, y han estado haciendo moldeo por inyección desde los años 1940 o 50, por lo que tienen el proceso completamente configurado.
Figuras de acción, muñecos y vehículos de juguete-todos moldeados por inyección, normalmente multi-disparo o ensamblaje de múltiples componentes moldeados. La elección del material para los juguetes está limitada por las normas de seguridad. En EE. UU. existen requisitos CPSIA, en Europa existen normas de seguridad de juguetes EN 71. Ciertos plastificantes y aditivos están prohibidos en los productos infantiles, lo que excluye algunas opciones de materiales.
El equipamiento deportivo también tiene muchas piezas moldeadas. Carcasas para botas de esquí, estructuras para patines en línea, componentes para bicicletas y equipos de protección. Los requisitos mecánicos pueden ser exigentes.-Las botas de esquí deben ser lo suficientemente rígidas para transmitir la fuerza de manera eficiente, pero no tan frágiles como para agrietarse en climas fríos. Esto generalmente significa materiales de poliuretano o poliamida, y los espesores de las paredes se vuelven pesados (3-6 mm en algunas áreas).
Lo que no funciona bien con el moldeo por inyección
Las piezas muy grandes resultan desafiantes porque se necesitan máquinas enormes y los costos de herramientas se disparan. Las fascias de los parachoques de los automóviles están en el límite de lo que tiene sentido:-aquellas que requieren 1000+ toneladas de fuerza de sujeción, máquinas y moldes que pesan varias toneladas. La inversión de capital para ese equipo es de millones de dólares por lo que sólo los grandes fabricantes pueden hacerlo.
Las piezas muy pequeñas con tolerancias estrictas también son difíciles. Las piezas médicas micro-moldeadas, como componentes de catéteres o dispositivos de microfluidos, superan los límites de lo posible. Se trata de tamaños de compuerta inferiores a 0,3 mm, dimensiones de cavidad medidas en décimas de milímetro y control de procesos que requiere sistemas de retroalimentación activa. Las tasas de rechazo pueden ser altas incluso con moldes perfectos porque pequeñas cantidades de contaminación o variación del proceso causan problemas.
Las piezas con secciones muy gruesas no se moldean bien debido al tiempo de enfriamiento y a las marcas de hundimiento. Cualquier cosa que supere los 6-8 mm de espesor de pared comienza a tener problemas. El exterior se enfría y solidifica mientras el interior todavía está fundido y, a medida que el centro se enfría, se encoge, tirando de la superficie exterior hacia adentro y creando marcas de hundimiento o huecos. A veces se puede compensar con presión de empaque y tiempos de enfriamiento más prolongados, pero siempre es una pelea. Es mejor rediseñar la pieza con nervaduras o secciones huecas si es posible.
Los materiales que no son termoplásticos no funcionan en absoluto. Los termoestables como las resinas epoxi o fenólicas necesitan diferentes procesos (moldeo por compresión o moldeo por transferencia). Obviamente, los metales no se pueden moldear por inyección, aunque el moldeo por inyección de metales (MIM) existe como un proceso relacionado para los metales en polvo.
La economía cuando intentas tomar una decisión
Para cantidades pequeñas (menos de 1000 piezas), el moldeo por inyección generalmente no tiene sentido a menos que necesite propiedades específicas del material o acabados superficiales que no pueda obtener de otras formas. El costo de las herramientas domina el costo por-pieza en volúmenes bajos. Un prototipo de molde simple puede costar entre 3000 y 5000 dólares, pero ese costo se distribuye entre una pequeña cantidad de piezas.
El punto de cruce en el que el moldeo por inyección se vuelve más barato que otros procesos depende de la complejidad y el tamaño de la pieza, pero suele estar entre 500 y 2000 unidades. Por debajo de eso, la impresión 3D o el mecanizado CNC tienden a ser más económicos. Por encima de eso, gana el moldeo por inyección.
Normalmente le digo a la gente que lo piense de esta manera: si las herramientas cuestan $10 000 y las piezas para moldear cuestan $0,50 cada una, necesitas fabricar 20 000 piezas antes de que el costo por pieza caiga por debajo de $1,00 ($10 000/20,000 + $0,50). Si solo necesita 1000 piezas, el costo por pieza-es en realidad de $10,50 ($10,000/1,000 + $0,50). Eso cambia el cálculo por completo.
Los volúmenes de producción de millones son donde realmente brilla el moldeo por inyección. El costo por-pieza puede caer a niveles ridículos-como $0,10-0,20 para piezas simples. El coste de las herramientas se amortiza en tantas piezas que apenas importa. Esta es la razón por la que los productos de consumo desechables son casi todos moldeados por inyección: maquinillas de afeitar, bolígrafos, botellas, recipientes, lo que sea. Los márgenes funcionan cuando hacer cada pieza cuesta unos centavos.
Hay muchas más aplicaciones de las que cubrí aquí (componentes de muebles, piezas de electrodomésticos, lentes ópticas, piezas de instrumentos musicales, probablemente otras cien categorías), pero esas son las principales industrias con las que he tratado. La versatilidad del proceso es lo que lo hace tan dominante:-se puede fabricar un componente de precisión de 1 gramo o un panel automotriz de 5 kilogramos básicamente con la misma tecnología fundamental, sólo que ampliado o reducido.
Hay muchas más aplicaciones de las que cubrí aquí (componentes de muebles, piezas de electrodomésticos, lentes ópticas, piezas de instrumentos musicales, probablemente otras cien categorías), pero esas son las principales industrias con las que he tratado. La versatilidad del proceso es lo que lo hace tan dominante:-se puede fabricar un componente de precisión de 1 gramo o un panel automotriz de 5 kilogramos básicamente con la misma tecnología fundamental, sólo que ampliado o reducido.
Si está ingresando a este campo, dedique tiempo a comprender cómo diseñar piezas moldeadas por inyección correctamente porque la estrategia de moldeo por inyección de la línea de separación afecta todo lo posterior. He visto a muchos ingenieros ordenar piezas moldeadas por inyección sin considerar las especificaciones cosméticas de las piezas moldeadas por inyección y luego quejarse del costo de las piezas moldeadas por inyección cuando se necesitan revisiones. Los defectos comunes en las piezas de moldeo por inyección generalmente se remontan a problemas de diseño-cosas como moldear por inyección piezas gruesas sin canales de enfriamiento adecuados o intentar moldear por inyección piezas grandes sin comprender cómo funciona el flujo de material en cavidades más grandes. La experiencia requerida también varía enormemente: el moldeo por inyección de plástico para piezas de automóviles exige conocimientos diferentes que el moldeo por inyección para piezas de aviación, y los procesos especializados como piezas de moldeo por inyección de reacción o piezas de moldeo por inyección de metal son conjuntos de habilidades completamente diferentes. Incluso el post-procesamiento-las piezas de plástico moldeadas por inyección puede reducir las tensiones residuales que causan problemas de deformación meses después de la producción. Ya sea que esté trabajando con un básicopiezas del molde de moldeo por inyecciónAl configurar o evaluar piezas de plástico producidas mediante una operación de moldeo por inyección, comprender los fundamentos evita errores costosos en el futuro. La tecnología no irá a ninguna parte-las piezas moldeadas por inyección y las piezas moldeadas por inyección de plástico seguirán dominando la fabricación porque nada escala como lo hace.