Qué puede aportar la impresión 3D en la fabricación de moldes

Tradicionalmente los procesos productivos más empleados en la industria se han clasificado en dos grandes grupos: la fabricación sustractiva, representado principalmente por el mecanizado CNC, y la fabricación formativa o conformado por moldeo, representado por el moldeo por inyección y el moldeo a la cera perdida. Ambos grupos han convivido hasta hoy en día, y la elección de uno u otro ha dependido principalmente de la complejidad de la pieza, el material escogido o el volumen de fabricación.

En los últimos tiempos en la industria se ha ido abriendo un hueco un tercer grupo hasta llegar a convivir con los dos anteriores: la fabricación aditiva o impresión 3D. Salvo es casos muy concretos o aplicaciones muy específicas, en la actualidad tanto la fabricación sustractiva como la aditiva y la formativa soportan un gran número de materiales comunes y son capaces de producir piezas de gran complejidad. Es por esto que muchas veces el criterio para seleccionar uno u otro se basa principalmente en el coste de producción.

Imagen 1: Curvas de coste unitario en función del volumen de producción. Fuente: 3Dhubs.com

En volúmenes de producción bajos o medios, el conformado por moldeo no puede competir con la fabricación aditiva y el mecanizado CNC, debido principalmente a los altos costes de amortización de los equipos y la necesidad de moldes con un coste elevado. Sin embargo, cuando se trata de fabricación en masa, el conformado por moldeo es el rey indiscutible.

El conformado por moldeo requiere de la fabricación de moldes para el moldeo por inyección, y de negativos sacrificiales de cera en el caso del moldeo a la cera perdida, que a su vez requieren también de moldes o de métodos CNC para su producción. Y es por esto que el mecanizado CNC sigue siendo necesario incluso en los procesos de conformado por moldeo, ya que tradicionalmente ha sido el método más común en la producción de moldes reutilizables.

Imagen 2: Molde para conformado por inyección. Fuente: https://commons.wikimedia.org/

Imagen 3: Modelo de cera para el moldeo a la cera perdida. Fuente: https://commons.wikimedia.org/

Pero, ¿qué puede aportar la impresión 3D al conformado por moldeo?

Moldeo a la cera perdida

El moldeo a la cera perdida consiste en aplicar un recubrimiento cerámico a un modelo sacrificial de cera y calcinarlo para obtener de esta forma el molde. Se trata de un proceso muy empleado en la fabricación de componentes mecánicos de fundición debido a su alta precisión y a que permite producir formas de alta complejidad.

El principal inconveniente de este proceso es que el molde se destruye al retirar la pieza, por lo que es necesario crear un modelo de cera y un molde para cada pieza.

Vídeo 1: proceso de moldeo a la cera perdida. Fuente: Niagara Investment Castings

Para producir los modelos de cera se requiere de un molde permanente, generalmente mecanizado en aluminio mediante CNC. Esto conlleva que para bajos volúmenes de producción los costes se disparen. Otra alternativa es emplear mecanizado CNC para producir los modelos de cera en el caso de prototipos o fabricación de pocas unidades, pero aunque los costes se reduzcan requiere de equipos caros y tiene ciertas limitaciones en cuanto a piezas complejas.

Es aquí donde la impresión 3D puede suponer un cambio de paradigma. Por un lado el desarrollo de nuevos materiales calcinables tanto para impresión SLA como FDM permite sustituir los modelos tradicionales de cera por modelos poliméricos impresos en 3D. Esto supone una serie de ventajas no solo a nivel de costes de producción de los modelos, sino también en ahorro de tiempos y agilidad a la hora de introducir nuevos productos o corregir defectos. Además los modelos fabricados mediante impresión 3D presentan una resistencia muy superior a los de cera, minimizando la posibilidad de romperlos o provocar defectos durante la manipulación.

A día de hoy prácticamente todos los fabricantes resinas disponen de materiales calcinables de alta calidad como la resina calcinable de Formlabs o la ZWax de Uniz. Esto ha provocado que la impresión 3D SLA haya sustituido en gran medida el uso de la cera en algunos sectores como el de la joyería, donde es habitual el uso de impresoras como la Form 3.

Imagen 3: Modelos de joyería impresos en 3D para usar en fundición a la cera perdida. Fuente: Formlabs

A pesar de esto, en otros sectores como el industrial, los modelos de cera siguen siendo habituales, quizás por la necesidad de modelos de gran tamaño. Hoy en día la aparición de impresoras 3D SLA de gran volumen como la Form 3L o la UniZ zSLTV, así como el desarrollo de filamentos calcinables como PolyCast, hacen que la limitación de tamaño sea cada vez menor y que los sectores industriales puedan beneficiarse de las ventajas de sustituir los modelos de cera por los impresos en 3D.

Vídeo 2: Uso del filamento Polycast. Fuente: Polymaker.

Sin embargo, la producción de modelos de cera se rige también según la gráfica de la figura 1, llegando un punto en el que el coste de fabricar modelos de cera mediante el uso de un molde sea más rentable que producir los modelos mediante impresión 3D. E incluso aquí, la impresión 3D tiene mucho que aportar. La baja temperatura de fusión de la cera hace que los moldes tradicionales de aluminio o acero puedan ser sustituidos por moldes impresos en 3D, con el importante ahorro de costes económicos y temporales que conlleva.

Imagen 4: Form 3L. Fuente: Formlabs

Moldeo por inyección

El moldeo por inyección es un proceso de fabricación formativa en el cual se inyecta plástico fundido a presión en un molde desmontable y se deja enfriar y solidificar dentro.

Tradicionalmente el uso de impresión 3D en la fabricación de moldes de inyección se ha considerado inviable. Esto se ha debido a dos motivos principales: la baja resistencia térmica de los polímeros usados en impresión 3D y la rugosidad superficial inherente a la impresión 3d SLS de metal.

A día de hoy la impresión 3D no puede sustituir completamente a los moldes mecanizados mediante CNC para inyección, sin embargo el desarrollo de materiales para impresión 3D SLA con alta resistencia térmica y mecánica, ha abierto la puerta al uso de moldes impresos en 3D.

Un ejemplo es la resina High Temp de Formlabs, capaz de soportar temperaturas de casi 300 ºC bajo una presión de 0.45 MPa. Sus altas propiedades termo-mecánicas, unido a la alta resolución y el excelente acabado superficial de la tecnología SLA, la convierten en un material ideal para la fabricación de moldes.

Imagen 5: Molde de inyección fabricado mediante impresión 3D SLA. Fuente: 3Dhubs

Por esto la impresión 3D puede ser un complemento excelente en la producción de moldes de inyección. Por un lado permite la producción de moldes económicos para series cortas, y por otro ayuda a verificar el diseño de los moldes metálicos antes de mecanizarlos. Esto último es de gran importancia, ya que corregir un defecto en un molde mecanizado requiere procesos de rectificado e incluso el mecanizado completo de un nuevo molde, lo que conlleva un incremento de costes importante y un retaso en la producción.

Moldes de silicona y termoformados

Los moldes de silicona y termoformados son moldes de una pieza muy usados en repostería, cocina, joyería o cosmética.

Se trata de moldes muy económicos y de fabricación muy sencilla. Son flexibles o semiflexibles para facilitar el desmoldeo, utilizados principalmente con materiales no fundentes o fundentes a baja temperatura como chocolate, resinas, cementos, etc.

Imagen 6: Moldes de silicona. Fuente: wikipedia

Son quizá el tipo de molde más común y que todos hemos empleado en algún momento, por ejemplo para hacer cubitos de hielo, bombones o magdalenas.

Imagen 7: Molde termoformado. Fuente: Mayku

Sin embargo su uso no se limita a la repostería doméstica, sino que son muy utilizados en joyería para elaborar componentes de bisutería en resina, o en arte y decoración para producir elementos en cementos y yesos.

A pesar de que su fabricación es muy sencilla, la única forma de elaborar los moldes en disponiendo de un modelo original para usar como plantilla, y es aquí donde la impresión 3D adquiere utilidad.

La impresión 3D aporta la capacidad de obtener modelos personalizados, de forma rápida y económica para usar como plantilla en la producción de moldes de silicona y termoformados. Esto unido a la disponibilidad de equipos económicos de termoformado como la Mayku Formbox, ponen al alcance de pequeñas pastelerías, joyería y artesanos la posibilidad de producir sus propios moldes personalizados de manera sencilla y económica, dando un valor añadido a sus productos.

Vídeo 3: Termoformado con Mayku Formbox. Fuente: Mayku.

La impresión 3D no solo es un recurso útil para reducir costes en bajos volúmenes de producción, sino que incluso en grandes producciones, donde el uso de moldes es indispensable, la impresión 3D ha demostrado ser una tecnología de gran utilidad que puede ayudar a su fabricación o en algunos casos incluso sustituirlos.