¿Cómo se adapta el diseño de moldes de inyección a diferentes materiales plásticos?

Los diferentes plásticos tienen un comportamiento físico tremendamente diferente durante el ciclo de moldeo.

Algunos casi no encogen al enfriarse (0,4 por ciento para PS). Otros se reducen drásticamente (2,5 por ciento para algunos grados de POM). Algunos exigen grados de acero para moldes específicos para resistir el ataque químico. Algunos necesitan un enfriamiento rápido, otros necesitan un enfriamiento lento para evitar el estrés. Algunos fluyen fácilmente hacia secciones delgadas, otros tienen dificultades con cualquier espesor de pared inferior a 1 mm.

Cuando el diseñador de moldes no sabe qué material se utilizará, tiene que hacer suposiciones. Esas suposiciones generalmente se optimizan para el material más común que ve el taller - típicamente ABS para piezas cosméticas. Si su producción actual utiliza nailon o policarbonato rellenos de vidrio-, el mismo molde podría deformar las piezas, desarrollar líneas de soldadura o simplemente no llenarse correctamente.

Definir la decisión sobre el material antes de que comiencen las herramientas es una de las cosas más importantes que un comprador puede hacer por su proyecto. Más allá del tiempo de ciclo y la calidad estética, la selección de materiales impulsa la elección del acero para moldes, el diseño del sistema de enfriamiento, la estrategia de expulsión y las especificaciones de acabado superficial - básicamente todo lo que sigue.

Los plásticos se dividen en tres amplias categorías de comportamiento. Comprender a qué categoría pertenece su material es el primer paso para hacer coincidir el diseño del molde con el material.

Plásticos amorfos - para piezas cosméticas y ópticas

Los polímeros amorfos como el ABS, el poliestireno (PS) y el policarbonato (PC) tienen cadenas moleculares que se solidifican en una estructura aleatoria en lugar de un patrón cristalino. Esto les confiere varias características importantes para el diseño de moldes:

Tasas de contracción bajas, normalmente del 0,4 al 0,7 por ciento

Excelente capacidad de acabado superficial - pueden mantener el pulido con claridad óptica

Precisión dimensional predecible

Mayor sensibilidad a la muesca, lo que significa que son más propensos al blanqueamiento por estrés.

Para un molde de inyección de carcasa de ratón, el ABS es el material más utilizado. Su baja contracción significa un estricto control de tolerancia en las características de ensamblaje y su capacidad de acabado superficial coincide con las expectativas cosméticas de la electrónica de consumo. El diseño de moldes para ABS se centra en la preservación cosmética de la superficie - la colocación estratégica de la puerta para evitar líneas de soldadura, un número suficiente de pines eyectores para evitar el blanqueamiento por tensión y el pulido de la superficie apropiado para la especificación del área visible-.

A Molde de inyección de vasos de plástico PSutiliza PS de propósito general-o variantes modificadas de impacto-. Aquí el diseño de moldes se centra en la optimización del flujo de paredes delgadas-y tiempos de ciclo ultra-rápidos. PS maneja bien los moldes fríos (normalmente entre 35 y 45 grados), lo que contribuye a su eficiencia de ciclo líder en la industria-para trabajos de alto-volumen de paredes delgadas-.

Plásticos semi-cristalinos para piezas funcionales y de desgaste

POM (acetal), polipropileno (PP) y nailon (PA66) son polímeros semi-cristalinos. Sus cadenas moleculares se organizan en regiones cristalinas durante el enfriamiento, lo que les confiere características muy diferentes a las de los materiales amorfos:

Altas tasas de contracción, normalmente del 1,5 al 2,5 por ciento

Excelentes propiedades mecánicas - resistencia, rigidez, resistencia al desgaste

Menor sensibilidad a la muesca - más indulgente con los concentradores de tensión geométricos

Control de temperatura del molde más exigente

AMolde de inyección de engranajes de motorNormalmente utiliza POM debido a su excelente combinación de baja fricción, estabilidad dimensional bajo carga y resistencia a la fatiga. Pero la alta contracción del POM (1,8 a 2,5 por ciento) significa que la cavidad del molde debe cortarse más grande que las dimensiones de la pieza terminada en exactamente la cantidad correcta. Hacer esto mal significa-engranajes fuera de-especificaciones que no pueden engranarse correctamente.

POM también exige moldes calientes - temperaturas típicas del molde de 80 a 95 grados - para garantizar una cristalización adecuada. Los moldes en frío producen piezas con baja cristalinidad, malas propiedades mecánicas y tensiones internas que se manifiestan posteriormente como deformaciones.

Plásticos de ingeniería para aplicaciones de alto-rendimiento

Las mezclas de PC/ABS, PEEK, PPS y plásticos de ingeniería similares llevan el diseño de moldes a territorios especializados:

Temperaturas de procesamiento superiores a 300 grados.

A menudo abrasivos (grados rellenos de vidrio-, minerales-)

La selección del acero para moldes se vuelve crítica

A menudo se requieren sistemas de moldes calentados

Para estos materiales, el acero para moldes P20 estándar no sobrevivirá por mucho tiempo. Por lo general, se requiere acero para herramientas de trabajo en caliente H13 o grados inoxidables especializados como S136, con una dureza en el rango HRC de 50 a 58. El pulidor de cavidades debe resistir el ataque del relleno abrasivo. El diseño de ventilación debe soportar los gases agresivos liberados durante el procesamiento.

Aquí está la tabla de referencia que debería estar en la pared de todo ingeniero de moldes al iniciar un proyecto.

Algunas observaciones a partir de estos datos. La contracción de POM de 1,8 a 2,5 por ciento es aproximadamente de 4 a 6 veces mayor que la de ABS de 0,4 a 0,7 por ciento. Esa es una diferencia enorme - y es exactamente la razón por la que las dimensiones de la cavidad de un molde de POM deben ser mayores que las dimensiones de la cavidad de un molde de ABS equivalente para el mismo tamaño de pieza terminada.

Las diferencias de temperatura del molde también importan. Los moldes de ABS que funcionan a 50-80 grados utilizan controladores de temperatura estándar. Los moldes de POM que funcionan a 80-105 grados necesitan sistemas de calefacción de mayor capacidad y un aislamiento adecuado. Los moldes de PC que funcionan entre 80 y 110 grados con temperaturas de fusión superiores a 280 grados requieren sistemas de canal caliente específicamente clasificados para funcionamiento a alta temperatura.

Cómo debe cambiar el acero del molde con el material

La selección del material del molde a menudo se pasa por alto en la etapa de diseño, pero afecta dramáticamente tanto al costo inicial del molde como a la vida útil-a largo plazo.

Un molde de inyección de vasos de plástico PS típico que ejecuta poliestireno de uso general-puede utilizar acero P20-rentable porque el PS no es-corrosivo ni-abrasivo. El molde produce entre 500.000 y 1.000.000 de disparos sin un desgaste significativo.

Un molde de inyección de carcasa de ratón para ABS normalmente utiliza NAK80 -, un acero para molde pre-endurecido que mantiene el pulido excepcionalmente bien para los requisitos de la superficie cosmética. El coste ligeramente superior (aproximadamente un 25 por ciento más que el P20) se justifica por la calidad estética y una vida útil ligeramente más larga.

AMolde de inyección de engranajes de motorEl funcionamiento de POM, especialmente los grados-rellenos de vidrio, exige acero endurecido como S136 o H13. El POM-relleno de vidrio es abrasivo - al pasarlo a través de una cavidad P20, la superficie se desgasta visiblemente después de 200.000 disparos. Con una selección adecuada del acero, el mismo molde de engranajes produce 1,5 millones de disparos o más.

Un fabricante de moldes de inyección de buena reputación adapta la selección de acero a los requisitos reales de material y volumen en lugar de optar por un grado de acero predeterminado para cada proyecto. Ese tipo de ingeniería específica-de materiales es lo que separa las herramientas premium de las herramientas básicas.

Dos tendencias emergentes están cambiando la forma en que el diseño de moldes se adapta a los nuevos materiales.

Los plásticos reciclados están creciendo rápidamente en los envases de consumo. El PS reciclado en particular es cada vez más común en la producción de vasos desechables, tanto por sus afirmaciones de sostenibilidad como por su reducción de costos. El desafío: los grados reciclados tienen más variación entre lotes-a-lotes que el material virgen. Los diseños de moldes necesitan ventanas de procesamiento más amplias para adaptarse a esta variabilidad sin producir defectos.

Los plásticos de base biológica-como PLA, PHA y bio-PE están creciendo en aplicaciones de contacto con alimentos-. Estos materiales tienen características de procesamiento bastante diferentes de sus equivalentes basados ​​en petróleo-. Los diseños de moldes pueden necesitar velocidades de enfriamiento ajustadas, diferentes tamaños de puerta y sistemas de expulsión modificados en comparación con los materiales tradicionales.

Para las marcas que atraviesan esta transición, trabajar con una fábrica de moldes de inyección con experiencia que haya producido piezas tanto en calidad virgen como biológica-marca una diferencia sustancial desde la prueba-hasta el-éxito de la producción.

La selección de materiales se relaciona directamente con el cumplimiento normativo:

Práctica estándar ASTM D3641 para moldeo por inyección

Normas de identificación de materiales plásticos ISO 1043.

FDA 21 CFR para materiales en contacto con alimentos (relevante para aplicaciones de PS de calidad alimentaria-)

RoHS y REACH para carcasas de electrónica (relevantes para electrónica de consumo)

IATF 16949 para aplicaciones automotrices (relevante para sistemas de engranajes de vehículos)

Reglamento UE 10/2011 para materiales plásticos en contacto con alimentos

La documentación que cumpla con estos estándares debe acompañar cualquier entrega de herramientas por parte de un proveedor serio - no como una ocurrencia tardía, sino como entregable estándar del proyecto.

He aquí un escenario que vemos a menudo. Una marca de consumo pregunta si un molde puede producir la misma pieza en ABS, PC-mezcla de ABS y PC rellena de vidrio-- para simplificar su inventario y reducir la inversión en herramientas.

Sobre el papel, esto parece razonable. Los tres materiales producen piezas más o menos similares cuando se moldean por inyección. En la práctica, las tasas de contracción difieren lo suficiente (0,5%, 0,6%, 0,3%) como para que la misma cavidad produzca piezas con variaciones dimensionales que exceden la tolerancia especificada por el cliente en un factor de 2 a 3 veces.

La solución real: una base de molde compartida con tres juegos de insertos de cavidades intercambiables, cada uno cortado para compensar la tasa de contracción específica de ese material. El costo es aproximadamente 1,6 veces un solo molde en lugar de 3 veces - un ahorro significativo - y al mismo tiempo ofrece las dimensiones correctas para cada material.

Este tipo de proyecto es exactamente la razón por la que es tan importante la conversación directa con su proveedor sobre los materiales y las cantidades exactas. Ya sea que esté comprando un molde de inyección de vasos de plástico PS de múltiples-cavidades para envases de gran-volumen, un molde de inyección de engranajes de motor de precisión para conjuntos de engranajes industriales o un molde cosmético.Molde de inyección de concha de ratónEn el caso de la electrónica de consumo, la decisión sobre el material impulsa todas las demás opciones de ingeniería.

Los materiales plásticos se dividen en tres familias: amorfos (ABS, PS, PC), semi{0}}cristalinos (POM, PP, PA66) y grados de ingeniería (PEEK, PPS, plásticos de ingeniería rellenos).

Las tasas de contracción varían entre 4 y 6 veces entre materiales, lo que afecta drásticamente las dimensiones de la cavidad.

El 47 % del retrabajo de moldes proviene de materiales-discordancias entre moldes (datos ASTM)

El acero del molde debe coincidir con el material: P20 para uso general, NAK80 para cosméticos, S136/H13 para plásticos de ingeniería.

Diferentes productos naturales combinan con diferentes familias de polímeros:Molde de inyección de concha de ratónnormalmente utiliza ABS, el molde de inyección de engranajes de motor utiliza POM, el molde de inyección de vasos de plástico PS utiliza PS

Los plásticos reciclados y de origen biológico-requieren ventanas de procesamiento más amplias en el diseño de moldes.

Definir la especificación del material antes de que comience el diseño de herramientas - impulsa todas las demás decisiones de ingeniería

Ya sea que su proyecto necesite piezas cosméticas de ABS, engranajes de precisión de POM, empaques de PS o materiales de ingeniería especiales, el diseño de molde correcto comienza con la decisión correcta sobre el material. Mantenga esta conversación directamente en la etapa DFM y el resto del proyecto se desarrollará sin problemas.

Sunhingstones ofrece reseñas DFM específicas de material-en las tres categorías de productos: - herramientas de moldes de inyección de vasos de plástico PS para embalajes de gran-volumen, diseños de moldes de inyección de engranajes de motor para engranajes industriales de precisión y programas de moldes de inyección de carcasas de ratón para carcasas de electrónica de consumo.

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