Diseño de moldeo por inyección: 10 consideraciones críticas de diseño de calidad

Michael Paloián | 04 de agosto de 2019

Hay miles de diseñadores que diseñan piezas moldeadas por inyección, pero hay un grupo de élite dentro de esta gran comunidad que realmente puede diseñar piezas para moldeadores por inyección. El diseño de productos moldeados por inyección evoluciona a través de muchas fases de desarrollo antes de que todas las piezas se documenten finalmente y se entreguen a un moldeador para su producción. Este último paso en el proceso de desarrollo es el más crítico, ya que los cambios de diseño o las correcciones ya no se pueden realizar sin agregar costos significativamente o demoras en el proyecto. Desafortunadamente, los errores de diseño de piezas de plástico se descubrirán solo después de que las piezas del primer artículo sean inspeccionadas y evaluadas Grupo de proyecto. Incluso con la simulación de flujo de molde sofisticada de hoy en día, las comprobaciones de interferencia CAD en 3D, la creación rápida de prototipos y muchas otras herramientas de desarrollo, es imposible predecir todos los problemas potenciales de una pieza moldeada por inyección. Sin embargo, existe un método muy simple y de bajo costo para minimizar los problemas potenciales y garantizar virtualmente piezas perfectas. Se llama asociarse con su moldeador, que es el tema central de este artículo.

No importa qué tan bien crea que sabe cómo diseñar correctamente piezas para moldeo por inyección, siempre debe formar una estrecha colaboración con su moldeador preferido lo antes posible en el proceso de diseño. Cada moldeador tiene sus propias preferencias de herramientas y técnicas para moldear piezas, lo que puede tener un efecto significativo en el diseño de la pieza. Estas preferencias subjetivas pueden influir en cualquiera de los siguientes parámetros importantes relacionados con el diseño que afectan a una pieza moldeada por inyección:

A menudo es difícil para los diseñadores/ingenieros desarrollar esta relación en las primeras etapas del proceso de diseño, ya que la selección de un moldeador a menudo se pospone hasta que el diseño se completa y se publica para una cotización formal por parte del departamento de compras. Además, muchos moldeadores no proporcionarán ningún aporte hasta que estén seguros de que se les adjudicará el proyecto. Este estancamiento impide que los diseñadores sigan estas recomendaciones, lo que a menudo genera demoras inaceptables o sobrecostos debido a la complejidad de las herramientas o los largos tiempos de ciclo. Estas políticas no son rentables a largo plazo, ya que reducen significativamente la eficiencia del desarrollo de un producto. Sin embargo, existen algunas soluciones simples para resolver esta paradoja.

La primera solución que suelen utilizar las empresas más grandes es generar una lista corta de proveedores preferidos basada en un análisis extenso de expertos dentro de su personal. Este grupo limitado de tres o cuatro moldeadores y fabricantes de herramientas preferidos suele ser accesible para los ingenieros durante todo el desarrollo debido a sus acuerdos comerciales de beneficio mutuo. Las empresas más pequeñas pueden seleccionar uno o dos moldeadores viables al principio del proceso mediante el establecimiento de una relación comercial de buena fe. Este acuerdo de apretón de manos informal requiere que ambas partes sean mutuamente honestas sobre los costos estimados y los términos de hacer negocios entre sí. Aunque no hay garantías, se podría desarrollar una alianza cuando los moldeadores y diseñadores compartan sus conocimientos a lo largo del proceso de desarrollo del diseño.

Debe tenerse en cuenta que el diseño de una pieza moldeada por inyección de calidad requiere que el diseñador conozca todos los parámetros de diseño fundamentales asociados con el moldeo por inyección y que sea un experto en la materia. La asociación moldeador/diseñador no pretende ser un programa de pasantías; se supone que debe optimizar la transferencia del diseño final a la producción con pocos o ningún cambio. Si se completa con éxito, las piezas finales de producción generalmente se moldean de manera rentable y precisa según las especificaciones por las siguientes razones.

1. Opciones materiales y consecuencias

Los materiales a menudo se especifican al principio del proceso de diseño y deben ser acordados mutuamente por ambas partes. A veces, los moldeadores pueden comprar grandes cantidades de resinas específicas con grandes descuentos. Estos descuentos se pueden pasar a los clientes. Por ejemplo, si un diseñador puede especificar un grado de ABS que coincida con las propiedades de uno comprado en grandes cantidades por un moldeador, se pueden ahorrar muchas decenas de miles de dólares. Un diseñador puede descubrir que ciertas resinas de alto rendimiento pueden no ser ideales para un moldeador debido a la viscosidad, el alto contenido de vidrio o la cristalinidad. Se puede elegir una resina por sus propiedades físicas o químicas específicas, pero puede ser muy difícil de moldear o mantener las tolerancias especificadas. Los moldeadores deben estar de acuerdo con las resinas especificadas y los requisitos generales de las piezas, ya que se les pedirá que moldeen realmente las piezas.

2. Tolerancias críticas

Aunque los diseñadores siempre deben proporcionar tolerancias generosas siempre que sea posible, muchas veces se deben mantener tolerancias estrictas para el ajuste, la función o la apariencia. Estas imágenes ilustran los detalles de diseño en un conjunto de piezas moldeadas por inyección que debían cumplir con tolerancias razonables, pero ajustadas, para lograr los requisitos estéticos y funcionales. El moldeador fue incluido en las revisiones de diseño para intercalar sus comentarios y su compromiso de mantener las especificaciones.

Uno de los mayores desafíos para cualquier diseñador que se enfrente al diseño de una pieza moldeada por inyección es proporcionar suficiente espacio libre en el diseño para la variación de tolerancia. La variación de la tolerancia depende de varias variables, incluidos los materiales, el control del proceso y el diseño de la herramienta. Los rangos de tolerancia aceptables en un diseño variarán mucho de un moldeador a otro. Es imperativo que los diseñadores analicen las especificaciones de tolerancia crítica razonables con un moldeador y consideren opciones para posibles revisiones del molde, si es necesario. Esto puede requerir que ciertas características de diseño se diseñen intencionalmente con espacio libre adicional, que luego se apretará al quitar el acero del molde. Nadie quiere agregar acero con soldadura para remediar los problemas de interferencia. Los moldeadores pueden ofrecer una serie de sugerencias para mantener un control estricto de la tolerancia, incluido el mecanizado posterior, las fijaciones y las ubicaciones de las entradas.

3. Marcas de hundimiento

Los diseñadores experimentados siempre se enfrentan al desafío de evitar las marcas de hundimiento en las piezas moldeadas por inyección. Aunque el espesor de pared máximo recomendado en la base de una nervadura o protuberancia debe ser inferior al 60 % del espesor de la pared de la cara perpendicular, algunos moldeadores prefieren un 50 % o menos. Cabe señalar que esta es una guía y no una garantía de que la pieza sea aceptable para el departamento de control de calidad.

Evitar marcas de hundimiento en superficies cosméticas siempre es un desafío durante el desarrollo del diseño de piezas moldeadas por inyección. Los moldeadores siempre son reacios a garantizar que una superficie cosmética no tendrá marcas de hundimiento si se agregan nervaduras o protuberancias en el lado opuesto. El desafío se complica cuando las costillas y los salientes incluyen tiro. Este detalle de nervaduras es un gran ejemplo para ilustrar este punto. La estrecha colaboración con su moldeador puede conducir a soluciones simples como minimizar el tiro, la altura de las nervaduras o agregar otras características para eliminar los sumideros.

Las imperfecciones cosméticas de la superficie dependen de la ubicación de la entrada, la calidad de la herramienta, el grosor nominal de la pared, el material, los aditivos, el acabado de la superficie, el color y el ángulo de visión. Los problemas de producción se pueden evitar estableciendo claramente una calidad de superficie aceptable con el moldeador mucho antes de tomar cualquiera de estas decisiones. Los moldeadores acreditados proporcionarán expectativas honestas y planes de respaldo mucho antes de que comience la producción. Los moldeadores pueden sugerir la eliminación de todas las características en el interior de una pieza, mientras que otros pueden sugerir técnicas especiales de extracción de testigos.

4. Áreas seguras de acero

Cuando diseñamos piezas moldeadas por inyección, a menudo nos enfrentamos a detalles que requieren tolerancias estrictas, como ajustes a presión, características de alineación o piezas entrelazadas. Es fácil alinear y combinar perfectamente estas características en CAD, pero no es tan fácil producirlas repetidamente durante la producción. Los detalles que no pueden ser reproducidos con confianza por un moldeador a menudo se diseñan como "acero seguro". Para el beneficio de aquellos que no están familiarizados con el término, acero seguro significa que la característica de diseño se detalla con suficiente espacio libre para permitir que un fabricante de herramientas mecanice fácilmente el acero en el molde para ajustar los espacios libres después de moldear las tomas de prueba iniciales. La mayoría de los moldeadores prefieren estas medidas de precaución para evitar volver a soldar el material en el molde, que luego se mecaniza.

La soldadura siempre compromete la calidad de las herramientas, es costosa y retrasa el inicio de la producción. La estrecha colaboración con un moldeador o fabricante de herramientas al principio del proceso de diseño minimizará las revisiones en su diseño, lo que les permitirá a ambos acordar las dimensiones críticas que deben hacerse seguras para el acero y la cantidad de espacio libre que se debe incluir en el diseño. Por lo general, estas decisiones cooperativas y bien planificadas agregan poco o nada al presupuesto de herramientas y tienen un efecto mínimo en el lanzamiento de la producción. Por el contrario, algunos moldeadores quieren que las piezas se diseñen exactamente como se espera y no quieren espacio libre adicional. Es por eso que es importante una comunicación cercana con su moldeador seleccionado.

5. Ubicación de la puerta

Idealmente, la ubicación de la compuerta debe ser especificada por un diseñador, moldeador y fabricante de herramientas. La ubicación de la puerta es fundamental para prácticamente todos los atributos de una pieza moldeada por inyección. Afecta la apariencia, la deformación, las tolerancias, el acabado de la superficie, el espesor de la pared, las tensiones moldeadas y las propiedades físicas, por nombrar algunas.

Algunos diseñadores usan simulaciones de flujo de molde para dictar el diseño y la ubicación de la puerta. Creo que es genial si el moldeador está de acuerdo con sus recomendaciones. No estoy de acuerdo con los diseñadores que insisten en que sus recomendaciones de puertas deben mantenerse sin compromiso. En cualquier caso, la estrecha colaboración con un moldeador a lo largo del ciclo de diseño garantizará que la compuerta no afecte negativamente el rendimiento, la apariencia o el ajuste de la pieza. Los moldeadores también están dispuestos a asesorar a los diseñadores sobre el tipo de entrada y las características que deben agregarse a la geometría de la pieza según el diseño de la entrada. Los moldeadores también ofrecerán compensaciones entre diferentes tipos de compuertas, incluidas compuertas en abanico, compuertas de borde o compuertas de bebedero.

Lea la segunda parte de este artículo aquí.

Sobre el Autor

Michael Paloian es presidente de Integrated Design Systems Inc. (IDS), con sede en Oyster Bay, Nueva York. Tiene una licenciatura en ingeniería de plásticos de UMass Lowell y una maestría en diseño industrial de la Escuela de Diseño de Rhode Island. Paloian tiene un conocimiento profundo del diseño de piezas en numerosos procesos y materiales, incluidos plásticos, metales y compuestos. Paloian posee más de 40 patentes, fue presidente anterior de SPE RMD y PD3. Habla con frecuencia en conferencias de SPE, SPI, ARM, MD&M e IDSA. También ha escrito cientos de artículos relacionados con el diseño para muchas publicaciones.

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