¿Cómo el diseño de moldes de inyección previene las burbujas de aire y los huecos en las piezas de plástico?

Antes de hablar de soluciones, conviene ser preciso sobre a qué nos enfrentamos realmente. Hay dos defectos fundamentalmente diferentes que se denominan "burbujas" en la producción y tienen causas fundamentales opuestas.

Trampas de aireSe forma cuando el gas - aire que ya estaba dentro de la cavidad del molde antes de la inyección, o el gas producido por el propio plástico fundido - queda atrapado en un lugar del que no puede escapar. A medida que el plástico se llena a su alrededor, el gas atrapado crea un vacío visible o una ampolla en la superficie. Las trampas de aire tienden a aparecer al final del flujo - en esquinas, bolsas ciegas o en cualquier lugar donde el patrón de llenado fuerce a dos frentes de fusión a encontrarse y atrapar aire entre ellos.

Huecos de contracciónse forman por la razón opuesta: no porque haya demasiado gas, sino porque no hay suficiente plástico. Cuando una sección gruesa de una pieza se enfría, la piel exterior se solidifica primero y se fija en su lugar. A medida que el interior todavía-fundido continúa enfriándose y encogiéndose, se separa de la piel, creando un vacío interno. Aparecen huecos de contracción en las secciones más gruesas de la pieza - detrás de las nervaduras, dentro de las protuberancias y en las transiciones de paredes gruesas.

Diagnosticar qué tipo tienes:

· Cortar o seccionar una pieza rechazada. Si hay una cavidad interna lisa y redonda sin decoloración, es probable que se trate de un vacío por contracción. Si hay una leve quemadura o decoloración en el lugar de la burbuja, lo más probable es que se trate de un problema de aire o gas atrapado.

· Verifique el patrón de ubicación. Los huecos de contracción son consistentes - siempre en la misma sección gruesa. Las trampas de aire pueden tener una ubicación más variable, pero tienden a agruparse al final del relleno o en características geométricas específicas.

Es esencial realizar un diagnóstico correcto antes de intentar solucionarlo. - las soluciones para las trampas de aire y los huecos de contracción son bastante diferentes, y aplicar la solución incorrecta al problema equivocado es una pérdida de tiempo y dinero.

Ubicación de la puerta y patrón de relleno

El patrón de llenado - cómo fluye el plástico desde la compuerta para llenar toda la cavidad - es la variable principal que determina dónde y si se formarán trampas de aire.

Cuando el plástico llena una cavidad, empuja el aire que está delante hacia los extremos del molde. Si el patrón de relleno está bien-diseñado, el aire es empujado progresivamente hacia la línea de separación y las ranuras de ventilación, por donde puede escapar. Si el patrón de relleno está mal diseñado, puede crear un "rastreo de carrera" - donde el plástico se mueve más rápido por un camino que por otro y se dobla hacia atrás para atrapar el aire en una bolsa.

La ubicación de la puerta es la decisión más importante para el control del patrón de llenado. Colocar la puerta en la sección más delgada de una pieza compleja, o en el lado incorrecto de una pieza con características internas, casi garantiza la acumulación de aire. Se debe utilizar la simulación del flujo del molde para modelar el patrón de llenado e identificar las ubicaciones de aire atrapado antes de finalizar la posición de la compuerta.

por unMolde de inyección de plástico para coches de juguetecon paneles de carrocería que incluyen marcos internos de ventanas, huecos de puertas y elementos de pasos de ruedas, el patrón de relleno es complejo. Las compuertas deben colocarse para llenar primero las secciones abiertas del panel y permitir que el aire se evacue de las bolsas cerradas a medida que llega la masa fundida a ellas.

La ventilación es la solución mecánica más directa para las trampas de aire. Las ranuras de ventilación son canales poco profundos mecanizados en la superficie de la línea de separación del molde que permiten que el aire atrapado escape a medida que se llena el molde. El desafío es que el respiradero debe ser lo suficientemente ancho y profundo para dejar salir el aire, pero lo suficientemente poco profundo como para que el plástico no fluya y genere destellos.

Especificaciones de ranura de ventilación estándar:

· Profundidad:0,015–0,05 mm para la mayoría de los termoplásticos. El ABS y el PP pueden tolerar ventilaciones ligeramente más profundas (0,03 a 0,05 mm) sin producir rebabas; Los materiales con menor viscosidad necesitan respiraderos menos profundos.

· Ancho:Normalmente, de 3 a 8 mm por ranura de ventilación.

· Sección de relieve:Detrás de la ranura de ventilación, un canal de alivio más ancho y profundo (de 0,5 a 1,0 mm de profundidad) permite que el aire escapado se evacue a la atmósfera sin retroceder.

· Colocación:Los respiraderos deben ubicarse donde el análisis del patrón de llenado predice las últimas-ubicaciones de llenado. Un respiradero en el lugar equivocado no hace nada.

Un estudio publicado enIngeniería y ciencia de polímeros(2020) descubrieron que los moldes con ubicación de respiraderos verificada por simulación- mostraban tasas de defectos en las trampas de aire aproximadamente un 74 % más bajas que los moldes con respiraderos colocados empíricamente en las líneas de separación solamente -, lo que confirma que la colocación de respiraderos basada en el análisis de llenado supera a la colocación basada únicamente en la intuición.

por unMolde de inyección de plástico para coches de juguete, la ubicación de la ventilación es particularmente importante en los bolsillos cerrados - las aberturas interiores de las ventanas, los canales debajo-de la carrocería y cualquier hueco ciego profundo en la estructura de la carrocería. Estos son exactamente los lugares donde el derretimiento puede rodear el aire atrapado sin ningún lugar adonde ir.

La geometría de la corredera y de la compuerta también influye en la evacuación del aire. Una entrada de puerta bien diseñada crea un patrón de llenado suave y progresivo que empuja el aire constantemente hacia las rejillas de ventilación. Una compuerta mal diseñada -, demasiado estrecha, demasiado corta o colocada para crear chorros -, produce un frente de llenado turbulento que introduce aire en la masa fundida en lugar de empujarla hacia adelante.

Las puertas submarinas (túnel) deben evitar lugares donde la entrada de la puerta dé a una cavidad o esquina ciega. Las puertas de ventilación en superficies anchas y planas (como los paneles del techo de los autos de juguete) distribuyen el relleno en todo el ancho, lo que reduce la probabilidad de que el aire se doble en la entrada de la puerta y crea una ruta de evacuación más predecible.

Simulación de flujo de molde

Para cualquier pieza con geometría compleja - incluida la mayoríaMolde de inyección de plástico para coches de juguetecomponentes del cuerpo - la simulación del flujo del molde debe ejecutarse antes de finalizar las posiciones de la puerta y la ventilación. La simulación muestra la secuencia de llenado, identifica las últimas-ubicaciones de llenado, predice dónde se forman las líneas de soldadura y, lo más importante, muestra dónde se producirá el atrapamiento de aire. Los cambios en la posición de la puerta, la ubicación de la ventilación o el diseño de los corredores realizados en simulación no cuestan nada. Los mismos cambios realizados en el acero después de las primeras muestras son costosos y requieren mucho tiempo-.

Uniformidad del espesor de la pared - La causa principal

Los huecos por contracción son casi siempre un problema del espesor de la pared. Cuando hay una sección gruesa local significativa - una protuberancia, una nervadura de refuerzo que es demasiado ancha, un elemento elevado decorativo - el material adicional en esa sección gruesa tarda más en enfriarse que el área circundante. La piel exterior se solidifica y fija en su lugar; el núcleo continúa enfriándose y encogiéndose, creando un vacío interno.

La regla de diseño es simple: mantener el espesor de la pared lo más uniforme posible. Cuando sea inevitable una sección más gruesa, reduzca la transición de gruesa a delgada en lugar de crear un escalón pronunciado.

Reglas estándar de diseño de nervaduras para evitar huecos:

· Espesor de la nervadura: 50–60% del espesor nominal de la pared

· Altura de la nervadura: máximo 3 veces el ancho de la base de la nervadura

· Varias costillas más cortas en paralelo son mejores que una costilla alta y ancha

por unMolde de inyección de plástico para coches de juguete, los marcos de los pasos de rueda, los refuerzos del techo y los salientes de montaje del eje son las ubicaciones más comunes para los huecos de contracción - todas las áreas donde el espesor local excede la pared nominal del panel de la carrocería. Diseñar estas características según las reglas de proporción anteriores elimina la mayor parte de la formación de huecos antes de que comience.

La compuerta debe colocarse de manera que las secciones gruesas de la pieza estén dentro del alcance de la presión de empaque de la compuerta cuando se llena el molde. Presión de empaquetamiento - la presión elevada aplicada después de que la cavidad está nominalmente llena - comprime material adicional en las secciones gruesas para compensar la contracción por enfriamiento. Si la sección gruesa está demasiado lejos de la compuerta, o si la compuerta se congela antes de completar el empaque, la compensación no llega a ella y se forma un vacío.

en unMolde de inyección de plástico para coches de jugueteCon características de eje grueso, la posición ideal de la puerta coloca el saliente entre 50 y 80 mm de la entrada de la puerta. Cuando la geometría lo impide, un diámetro de compuerta mayor o una segunda posición de compuerta pueden ampliar el alcance efectivo del empaque.

Presión del paquete y tiempo de retención

Si bien la presión del empaque y el tiempo de retención son parámetros de proceso más que parámetros de diseño, el diseño del molde debe crear las condiciones para que sean efectivos. Una compuerta que se congela demasiado rápido - porque la base de la compuerta es demasiado delgada - corta la presión del empaque antes de que las secciones gruesas se hayan enfriado lo suficiente como para ser autoportantes. La longitud y el diámetro del borde de la compuerta deben dimensionarse para mantener la compuerta abierta durante el tiempo de empaque mínimo requerido por la sección más gruesa de la pieza.

No todas las burbujas provienen de trampas de aire o huecos de contracción. Una tercera categoría - huecos de humedad - se forma cuando materiales higroscópicos como ABS, nailon o PC se procesan con un secado inadecuado. La humedad absorbida de la atmósfera se convierte en vapor durante la inyección, y estas bolsas de vapor parecen burbujas de aire en la pieza terminada.

ABS - el material más común paraMolde de inyección de plástico para coches de jugueteaplicaciones - absorbe fácilmente la humedad del aire. El ABS estándar requiere secarse a una temperatura de 80 a 85 grados durante 2 a 4 horas antes de procesarse. El ABS poco-secado produce vetas plateadas y pequeñas burbujas en la superficie incluso en un molde bien-diseñado. Se trata de un problema de procesamiento, no de diseño del molde -, pero vale la pena descartarlo antes de dedicar tiempo a investigar el molde.

Distinción de síntomas: los huecos de humedad a menudo producen patrones de rayas plateadas en la superficie además de burbujas internas. Las trampas de aire y los huecos por contracción no suelen producir vetas plateadas.

ElMolde de inyección de plástico para coches de juguetepresenta desafíos específicos de la burbuja que vale la pena abordar directamente.

Trampas de aire del panel de la carrocería:La geometría compleja de la carrocería de un automóvil de juguete - con características estructurales internas, aberturas de ventanas y huecos para los pasos de rueda - crea múltiples ubicaciones potenciales para atrapar aire. La posición de la compuerta se debe verificar mediante simulación de flujo y se deben colocar ranuras de ventilación en todas las ubicaciones confirmadas del último-llenado, no solo en los bordes obvios de la línea de separación.

Huecos de sección gruesa en características estructurales:Los refuerzos de los pasos de rueda, los salientes de los ejes y las nervaduras de refuerzo del techo son lugares vacíos estándar en la carrocería de un automóvil de juguete. Aplique las reglas de proporción de nervaduras y salientes anteriores a estas características durante la revisión de DFM, antes de que el diseño se entregue a las herramientas.

Comportamiento de la burbuja ABS vs PP:El ABS es más propenso a formar burbujas superficiales-relacionadas con la humedad y requiere una gestión cuidadosa del secado. El PP es menos higroscópico pero tiene una mayor contracción (1,0–2,5%) en comparación con el ABS (0,4–0,7%), lo que lo hace más propenso a formar huecos de contracción interna con variaciones equivalentes en el espesor de la pared. PÁGINASMolde de inyección de plástico para coches de jugueteLos diseños se benefician de una disciplina de uniformidad de pared ligeramente más estricta que los equivalentes de ABS.

un estudio enIngeniería y ciencia de polímeros(2020) descubrieron que los moldes con colocación de ventilación verificada mediante simulación- mostraban tasas de defectos en las trampas de aire aproximadamente un 74 % más bajas que los moldes que utilizaban únicamente la colocación de ventilación empírica.

· Investigación publicada en elRevista internacional de tecnología de fabricación avanzada(2021) descubrieron que la variación del espesor de la pared por encima del 40 % del nominal en piezas moldeadas por inyección de productos de consumo se asociaba con la formación de huecos internos en el 83 % de los casos estudiados -, lo que confirma que la uniformidad del espesor de la pared es el predictor más confiable del riesgo de huecos por contracción.

· Los datos de la encuesta de SPE (2022) identificaron la ventilación insuficiente y la falta de uniformidad en el espesor de la pared como las dos causas fundamentales más comunes de defectos de burbujas y huecos en la producción de piezas de plástico de consumo, y en conjunto representan aproximadamente el 68 % de todos los informes de defectos de tipo-burbujas.

ElAsociación de Tecnología y Servicios de Entretenimiento (ESTA)aborda la calidad de fabricación en sus marcos de calificación de proveedores para componentes utilizados en entornos de tecnología de entretenimiento. La guía de ESTA reconoce específicamente la capacidad del proceso DFM -, incluida la prevención sistemática de defectos como huecos y trampas de aire mediante la verificación del diseño antes de las herramientas - como un indicador significativo de la calidad de los socios de fabricación. por unMolde de inyección de plástico para coches de jugueteo cualquier molde de producto de consumo, el rigor del proceso de diseño previo-de herramientas predice directamente la consistencia de la calidad de las piezas de producción. Esta es la razón por la que los compradores experimentados preguntan cada vez más a los posibles clientes.Molde de inyección de plástico para coches de jugueteLos fabricantes deben demostrar su capacidad de simulación y DFM antes de comprometer la inversión en herramientas.

Un fabricante de juguetes del sudeste asiático estaba calificando un nuevo modelo de vehículo en ABS. ElMolde de inyección de plástico para coches de jugueteLa carrocería estaba produciendo piezas que pasaron la inspección visual pero no pasaron los controles de calidad después de pintar - el proceso de pintura reveló pequeñas depresiones en la superficie (marcas de hundimiento) y, cuando se cortaron secciones para su inspección, huecos internos detrás de las nervaduras de refuerzo del paso de rueda.

El diseño de nervadura original en el paso de rueda tenía un espesor de base de 2,8 mm - 93% de la pared nominal del panel de la carrocería de 3,0 mm. La regla estándar permite un máximo del 60%, lo que significa que las nervaduras fueron significativamente sobredimensionadas para evitar huecos. La puerta se colocó en la parte inferior del panel de la carrocería, aproximadamente a 95 mm del saliente del paso de rueda más cercano.

Sunhingstones realizó una revisión DFM y una simulación de flujo en el diseño existente. La simulación confirmó:

· Se prevé la formación de huecos detrás de las cuatro nervaduras del paso de rueda debido a un alcance insuficiente de la presión de empaque

· Tres ubicaciones de trampas de aire en los bolsillos interiores del marco de la ventana, sin ventilaciones actualmente ubicadas en estas ubicaciones

Cambios de diseño implementados:

1. El espesor de la base de la nervadura del paso de rueda se redujo de 2,8 mm a 1,6 mm (53 % de la pared nominal), con altura ajustada para mantener un módulo de sección equivalente.

2. El diámetro de la compuerta aumentó de 1,2 mm a 1,8 mm para extender el alcance de la presión del empaque a la región del arco.

3. Se agregaron tres ranuras de ventilación en la simulación-ubicaciones confirmadas de trampas de aire en los bolsillos del marco de la ventana.

Resultados tras la modificación del molde:

· Huecos internos: eliminados en una muestra de calificación de 500 partes

· Trampas de aire en los marcos de las ventanas: eliminadas

· Marcas de hundimiento superficial: ya no son visibles después de pintar

· Tasa de rechazo reducida del 6,8% (predominantemente relacionada con vacíos y sumideros) al 0,4%

P: ¿Cuál es la diferencia entre una burbuja de aire y un vacío de contracción en el moldeo por inyección? 
R: Se forma una burbuja de aire (trampa de aire) cuando el gas queda atrapado físicamente en la cavidad por el avance del plástico fundido. Se forma un vacío de contracción cuando las secciones gruesas se enfrían y el interior se encoge alejándose de la piel ya-solidificada. Ambos aparecen como huecos internos en una parte seccionada, pero las trampas de aire tienden a ocurrir al final del relleno y pueden mostrar una ligera decoloración, mientras que los huecos por contracción ocurren en las secciones más gruesas y tienen superficies internas lisas y limpias.

P: ¿Cómo sé si mi problema de burbujas es un problema de diseño del molde o de proceso?

R: Si la ubicación de la burbuja es consistente de una toma a otra y corresponde a una característica geométrica (sección gruesa, última-esquina de relleno), es casi seguro que se trata de un problema de diseño del molde. Si las ubicaciones de las burbujas son inconsistentes o se correlacionan con cambios en el lote de material, puede ser un problema de humedad del material o de estabilidad del proceso. Seccione una pieza de muestra para confirmar el tipo de defecto antes de realizar cualquier cambio.

P: ¿Cuál es la profundidad de la ranura de ventilación estándar para las piezas de ABS? 

R: Para ABS, la profundidad de la ranura de ventilación estándar es de 0,025 a 0,04 mm en la cara de la cavidad, abriéndose a una sección de alivio de 0,5 a 1,0 mm detrás de ella. Más profundo que esto, el ABS parpadeará a través del respiradero. Los respiraderos deben ubicarse en ubicaciones confirmadas mediante simulación de llenado como las últimas regiones en llenarse, no solo en posiciones genéricas de líneas de separación.

P: ¿Puedo solucionar un problema de burbujas aumentando la velocidad de inyección? 

R: Aumentar la velocidad de inyección a veces puede mover la ubicación de una trampa de aire al cambiar el patrón de llenado, pero no elimina la causa subyacente - sino que reubica el problema. La solución confiable es rediseñar la posición de la puerta, agregar ventilaciones en ubicaciones confirmadas de trampas de aire, o ambas cosas. Los ajustes de proceso son, en el mejor de los casos, una medida temporal.

P: ¿Cuántas ranuras de ventilación necesita un molde de inyección típico para carrocerías de automóviles de juguete? 

R: El número depende completamente de la geometría de la pieza y del patrón de relleno. Un panel plano simple puede necesitar de 4 a 6 respiraderos; una carrocería compleja con múltiples funciones de bolsillo puede necesitar entre 15 y 25. La única forma confiable de determinar el número y la ubicación correctos es la simulación del flujo del molde combinada con la inspección del primer-artículo. CualquierFabricante de moldes de inyección de plástico para coches de jugueteLa realización de una revisión adecuada del DFM incluirá la verificación de la ubicación de la ventilación en ese proceso.

P: ¿Dónde puedo encontrar una fábrica de moldes de inyección de plástico para automóviles de juguete que diseñe para prevenir huecos desde el principio? 
R: Busque unMolde de inyección de plástico para coches de jugueteproveedor que proporciona simulación de flujo de molde como parte estándar de su proceso DFM - y no como un extra opcional. El resultado de la simulación debe incluir análisis del patrón de relleno, predicción de líneas de soldadura e identificación de la ubicación de la trampa de aire. Un proveedor que pueda mostrarle estos resultados para la geometría de su pieza específica antes de comprometerse con las herramientas es aquel que realmente evitará los defectos en lugar de depurarlos más adelante.

Las burbujas de aire y los huecos por contracción en las piezas moldeadas por inyección son predecibles y evitables - no por suerte o por actos heroicos del proceso, sino mediante decisiones de diseño sistemáticas tomadas antes de construir el molde. La posición de la puerta, la ubicación de la ventilación, la uniformidad del espesor de la pared y la proporción de las nervaduras son todas variables de diseño. Abordelos en la etapa DFM, verifíquelos con simulación y las piezas de producción saldrán bien a la primera.

En Sunhingstones, la prevención de burbujas y huecos es parte del proceso DFM estándar para cadaMolde de inyección de plástico para coches de juguete, molde de carcasa y herramienta de componentes de precisión que diseñamos. CadaMolde de inyección de plástico para coches de jugueteEl proyecto incluye simulación de llenado completo con verificación de la ubicación de la ventilación antes de mecanizar cualquier acero. Ejecutamos una simulación de flujo de molde en cada proyecto, documentamos los fundamentos del diseño de compuertas y respiraderos y confirmamos el patrón de llenado antes de pasar al mecanizado.

¿Tiene problemas de burbujas o huecos en un molde existente o quiere evitarlos en un nuevo proyecto?Póngase en contacto con nuestro equipo de ingeniería con la geometría de su pieza y la descripción actual del defecto. Identificaremos la causa raíz y recomendaremos la solución de diseño adecuada.

Referencias y lecturas adicionales

1. Rosato, DV y Rosato, MGManual de moldeo por inyección, 3ª edición. Springer, 2000.https://link.springer.com/book/9781461370895

2. Malloy, RADiseño de piezas de plástico para moldeo por inyección, 2ª edición. Hanser, 2010.https://www.hanser-publications.com/isbn/9781569904367

3. Kazmer, DOIngeniería de diseño de moldes de inyección, 2ª edición. Hanser, 2016.https://www.hanser-publications.com/isbn/9781569905852

4. Wang, Y. et al. "Efecto de la ubicación de la ventilación en la tasa de defectos de la trampa de aire en piezas moldeadas por inyección de geometría - compleja".Ingeniería y ciencia de polímeros, Vol. 60, Número 8, 2020.https://www.doi.org/10.1002/pen.25396

5. Nian, SC y col. "Variación del espesor de la pared y formación de huecos internos en el moldeo por inyección de productos de consumo".Revista internacional de tecnología de fabricación avanzada, Vol. 114, 2021.https://link.springer.com/journal/170

6. Sociedad de Ingenieros Plásticos (SPE). Encuesta sobre la causa raíz de los defectos de piezas de plástico del consumidor. Documento técnico de la SPE, 2022.https://www.4spe.org/

7. Asociación de Tecnología y Servicios de Entretenimiento (ESTA). Estándares de calidad de fabricación y evaluación de capacidad DFM. Orientación técnica ESTA, 2022.https://www.esta.org/

8. Zapatero, J.Guía de diseño de Moldflow. Hanser, 2006.https://www.hanser-publications.com/isbn/9781569903735