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

Michael Paloian | 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 finalmente se documenten y entreguen a un moldeador para su producción. Este último paso en el proceso de desarrollo es el más crítico, ya que ya no se pueden realizar cambios o correcciones de diseño sin agregar significativamente costos o retrasos en el proyecto. Desafortunadamente, los errores en el diseño de piezas de plástico se descubrirán solo después de que las piezas del primer artículo sean inspeccionadas y evaluadas por el Grupo de proyecto. Incluso con la sofisticada simulación del flujo del molde actual, las comprobaciones de interferencias 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 problemas potenciales y prácticamente garantizar 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 adecuadamente piezas para moldeo por inyección; siempre debe formar una estrecha colaboración con su moldeador preferido lo más temprano 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 darán ninguna opinión hasta que estén seguros de que se les adjudicará el proyecto. Este punto muerto impide que los diseñadores sigan estas recomendaciones, lo que a menudo resulta en retrasos 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 sencillas 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 exhaustivo de los expertos 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 mutuamente beneficiosos. Las empresas más pequeñas pueden seleccionar uno o dos moldeadores viables en las primeras etapas del proceso estableciendo una relación comercial de buena fe. Este acuerdo informal de apretón de manos requiere que ambas partes sean mutuamente honestas acerca de los costos estimados y los términos de, en última instancia, hacer negocios entre sí. Aunque no hay garantías, se podría desarrollar una alianza a medida que moldeadores y diseñadores compartan sus conocimientos durante todo el proceso de desarrollo del diseño.

Cabe señalar que diseñar una pieza moldeada por inyección de calidad requiere que un diseñador tenga conocimientos de todos los parámetros de diseño fundamentales asociados con el moldeo por inyección y sea altamente experto en la técnica. La asociación moldeador/diseñador no pretende ser un programa de pasantías; se supone que optimiza la transferencia del diseño final a producción con pocos o ningún cambio. Si se completan con éxito, las piezas de producción finales 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 ambas partes deben acordarlos mutuamente. A veces, los moldeadores pueden comprar grandes cantidades de resinas específicas con importantes descuentos. Estos descuentos se pueden trasladar 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 su viscosidad, alto contenido de vidrio o cristalinidad. Se puede elegir una resina por sus propiedades físicas o de resistencia química específicas, pero puede ser muy difícil de moldear o mantener tolerancias específicas. Los moldeadores deben estar de acuerdo con las resinas especificadas y los requisitos generales de las piezas, ya que serán ellos los que realmente deberán moldear 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 detalles de diseño en un conjunto de piezas moldeadas por inyección que debían cumplir con tolerancias razonables, pero ajustadas, para alcanzar requisitos estéticos y funcionales. El moldeador fue incluido en las revisiones de diseño para aportar sus comentarios y compromiso de mantener las especificaciones.

Uno de los mayores desafíos para cualquier diseñador que se enfrenta al diseño de una pieza moldeada por inyección es proporcionar suficiente espacio en el diseño para la variación de la tolerancia. La variación de la tolerancia depende de varias variables, incluidos los materiales, el control de procesos y el diseño de herramientas. Los rangos de tolerancia aceptables en un diseño variarán mucho de un moldeador a otro. Es imperativo que los diseñadores discutan 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 un espacio adicional, que luego se ajustará retirando el acero del molde. Nadie quiere añadir acero mediante soldadura para solucionar los problemas de interferencia. Los moldeadores pueden ofrecer una serie de sugerencias para mantener un control estricto de la tolerancia, incluido el posmecanizado, las fijaciones y las ubicaciones de las puertas.

3. Marcas de hundimiento

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

Evitar marcas de hundimiento en superficies cosméticas es siempre un desafío durante el desarrollo del diseño de piezas moldeadas por inyección. Los moldeadores siempre son reacios a garantizar que una superficie cosmética no tenga marcas de hundimiento si se agregan nervaduras o protuberancias en el lado opuesto. El desafío se complica cuando las nervaduras 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 fregaderos.

Las imperfecciones cosméticas de la superficie dependen de la ubicación de la puerta, la calidad de la herramienta, el espesor 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 con el moldeador una calidad superficial aceptable mucho antes de tomar cualquiera de estas decisiones. Los moldeadores acreditados brindarán expectativas honestas y planes de respaldo mucho antes de que comience la producción. Los moldeadores pueden sugerir eliminar todas las características del interior de una pieza, mientras que otros pueden sugerir técnicas especiales de extracción de núcleos.

4. Zonas seguras de acero

Cuando diseñamos piezas moldeadas por inyección, a menudo nos enfrentamos a detalles que requieren tolerancias estrictas, como ajustes rápidos, 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 un moldeador no puede reproducir con confianza a menudo están diseñados como "seguros para el acero". Para beneficio de aquellos que no están familiarizados con el término, acero seguro significa que la característica de diseño se detalla con suficiente espacio para permitir que un fabricante de herramientas mecanice fácilmente el acero en el molde para ajustar los espacios después de que se moldeen los disparos 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, permitiéndoles a ambos ponerse de acuerdo sobre las dimensiones críticas que deben ser seguras para el acero y sobre la cantidad de espacio libre que se debe incluir en el diseño. Normalmente, estas decisiones cooperativas y bien planificadas añaden poco o nada al presupuesto de herramientas y tienen un efecto mínimo en el lanzamiento de la producción. Por el contrario, algunos moldeadores quieren piezas diseñadas exactamente como se espera y no quieren espacio adicional. Por eso es importante una estrecha comunicación con el moldeador seleccionado.

5. Ubicación de la puerta

Lo ideal es que la ubicación de la puerta la especifique 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 del moldeado y las propiedades físicas, por nombrar algunas.

Algunos diseñadores utilizan simulaciones de flujo de moldes 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, una estrecha colaboración con un moldeador durante todo el ciclo de diseño garantizará que la puerta 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 compuerta y las características que deben agregarse a la geometría de la pieza según el diseño de la compuerta. Los moldeadores también ofrecerán compensaciones entre diferentes tipos de compuertas, incluidas compuertas de ventilador, 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), ubicada en Oyster Bay, Nueva York. Tiene una licenciatura en ingeniería plástica de la 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 y fue presidente de SPE RMD y PD3. Con frecuencia habla en conferencias SPE, SPI, ARM, MD&M e IDSA. También ha escrito cientos de artículos relacionados con el diseño para numerosas publicaciones.

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