Cómo seleccionar el mejor material para molde de inyección

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La era actual ha traído grandes avances para la industria de transformación de plástico, un sector integrado por varios eslabones que deben mantenerse fuertes y alineados en aras de avanzar hacia un moldeo técnico competitivo y de calidad. Uno de estos elementos es la fabricación de moldes, un sector joven en Latinoamérica que ha intentado avanzar en tecnologías, componentes estándar, cámaras calientes, centros de mecanizado, software CAM y aleaciones. Este último rubro tiende a ser la piedra angular, ya que una mala decisión puede significar el éxito o fracaso de un proyecto.

La experiencia de décadas de los talleres les ha permitido generar un abanico de opciones, sin embargo, este camino ha sido a un costo productivo muy alto, y cambiar la mentalidad de los moldistas y/o matriceros para seguir mejorando, es un problema complejo de enfrentar. Si usted pertenece a esta industria y se ubica en cualquier etapa desde el diseño hasta el montaje y la producción de herramental, este artículo le planteará los puntos más importantes, no sólo desde el punto de vista de manufactura sino también poniendo el foco sobre las ventajas cuantificadas durante la producción de las piezas inyectadas; variable por la cual su trabajo será medido.

Los requerimientos de los moldes actuales

Hoy en día el uso de resinas plásticas con altos contenidos de fibras para aplicaciones automotrices genera la necesidad de tener materiales para el molde de alta dureza que permitan aumentar su vida útil. Esto es verdad también para los productores de piezas plásticas de pared delgada, para los cuales se hace necesaria la fabricación de insertos individuales, todos ellos propensos a la pérdida de filos a lo largo de la vida del molde. Materiales tradicionales como el P20 o el H13 encuentran sus límites allí, donde tienden a ser un consumible frecuente para los productores. Aún cuando los tratamientos superficiales siguen jugando un rol importante, ya que de ellos dependen propiedades como la resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y acabado superficial, los materiales pre-endurecidos ganan cada vez más adeptos, gracias a su conveniencia al eliminar costosos pasos de post-producción.

Por otro lado, la necesidad de producir a velocidades cada vez mayores, con mayores índices de calidad, hace que se empujen los límites físicos de las aleaciones hacia valores de conductividad térmica más altos. En el mercado hay un sinnúmero de aleaciones desarrolladas para cada aplicación y necesidad específica, cada fabricante quiere entregar una solución completa entre maquinabilidad, propiedades mecánicas, conductividad térmica, precio y tiempo de entrega. La creciente exigencia y complejidad de los moldes actuales han ido desplazando al más famoso de la escena de fabricación de moldes: El acero P20. Tenga en cuenta lo siguiente a la hora de elegir el mejor material para cada aplicación.

Entre más alto sea el valor de conductividad térmica, el acero transportará más rápido el calor y usted tendrá tiempos de ciclo más cortos.

La conductividad térmica. ¿Qué rol juega y qué tanta diferencia hace en su molde?

El principio es sencillo. Su molde debe extraer el calor del plástico fundido lo más rápido posible para que éste se solidifique y se pueda expulsar rápidamente. Así la siguiente carga de plástico fundido puede entrar al molde sin perder valioso tiempo de producción. Entre más alto sea el valor de conductividad térmica, el acero transportará más rápido el calor y usted tendrá tiempos de ciclo más cortos. Los valores típicos de conductividad térmica para un P20 o el H13 están alrededor de 25 W/m.K. El Thermodur 2383, una reciente oferta innovadora de la firma Deutsche Edelstahlwerke, ha sido un acero creado para la creciente demanda de la industria automotriz de aceros de trabajo en caliente que requieren alta conductividad térmica. Sus valores están por el orden de los 40 - 45 W/m.K. Cerca del doble del de de los materiales tradicionales. Los fabricantes de moldes lo han comenzado a adoptar por sus características sobresalientes de resistencia al desgaste con relativamente bajo contenido de cromo, lo cual genera menor desgaste de las herramientas de corte durante su mecanizado y se puede fresar a mayor velocidad. Su excelente templabilidad le permite alcanzar durezas hasta el núcleo de hasta 52 HRC. Aceros tradicionales para moldes se entregan pre-endurecidos máximo a valores de 45 HRC.

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Figura 1. Conductividad térmica a través del cambio de temperatura de cinco aleaciones metálicas [Cortesía SIGMASOFT Viirtual Molding].

Todas estas características son ventaja en la medida que el cuello de botella sea la transferencia térmica y cuando no pueda llegarse con agua de refrigeración a ciertas zonas estrechas del molde, difíciles de mecanizar, a las cuales se hace difícil después un tratamiento térmico y pulido posterior. La Figura 1 muestra una comparación de curvas de conductividad térmica de 5 materiales. Allí, es perceptible la diferencia en conductividad de cerca del doble del valor, entre el último descrito y un acero tradicional como el P20. En contraste, al aplicar una aleación de muy alta conductividad basada en cobre-berilio como la Moldmax HH, se alcanzan valores entre 5 y 7 veces mayores que la de los aceros. Esto reduce aún más los tiempos de ciclo en la producción del plástico, pero debido a su pobre maquinabilidad, bajo rendimiento durante la electroerosión y baja dureza superficial alcanzable (hasta 40 HRC), sólo debería utilizarse en condiciones de muy baja capacidad de llegar con circuitos de refrigeración a la superficie del molde. Allí es donde cobra importancia la creación de aleaciones como el Thermodur 2383, que tiene un muy buen compromiso entre propiedades mecánicas y térmicas.

Con la ayuda del software alemán SIGMASOFT Virtual Molding, se realizó un experimento de simulación de un molde de inyección comparando 5 materiales y para encontrar la influencia de su conductividad térmica en la temperatura superficial de la cavidad y por tanto en la velocidad con la que se solidifica una pieza. En la Figura 2, se observa la diferencia entre temperaturas en la superficie del molde (a) y su efecto en el porcentaje de solidificación del plástico tras un tiempo determinado (b). Allí se ve que un acero como el Thermodur 2383 puede generar tiempos de ciclo 25% menores con respecto a un H13 y más de un 50% con respecto a un P20 tradicional. Esto es claramente una ventaja sobresaliente a la hora de escoger el material para una aplicación de inyección.

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Figura 2. Comparación tras 21 ciclos de inyección de 5 aleaciones temperatura de cavidad (izquierda) y tiempo de solidificación estimado (derecha) para cada una [Cortesía SIGMASOFT Virtual Molding].

Manufacturabilidad del molde - ¿La conductividad lo es todo?

La discusión de la escogencia del material siempre tiene un equipo interdisciplinar en escena que incluye a las áreas de desarrollo de producto plástico, de moldes, taller, producción, calidad y financiero, entre otros. El punto anterior presenta una visión técnico-productiva para cuantificar la reducción en tiempo de ciclo aproximado de una pieza plástica (Fig. 2 - b), sin embargo, desde el punto de vista del diseñador del molde y del taller, se debe tener claro que el concepto de eficiencia no solo está basada en la remoción de calor del acero. Allí también juegan rubros importantes como la resistencia a la corrosión y al desgaste, acabado superficial, facilidad de reparación y/o soldabilidad y maquinabilidad.

De manera adicional a los materiales en este estudio, se presentan 3 nuevos materiales: El aluminio, muy útil para aplicaciones como moldes prototipo y de lotes de producciones bajas. El segundo es el acero PHS NAK55, una aleación desarrollada para reemplazar el P20 por sus aptitudes de maquinabilidad entre 30 % y 40 % superiores, no requiere de alivio de tensiones, remoción fácil de la capa que deja la electroerosión, entre otras. Para cerrar la brecha de aplicaciones, se coloca en la comparación al Mirrax EXR, un acero inoxidable de alta capacidad de pulido presentado por Uddeholm en la feria NPE 2018.  Los criterios de evaluación cualitativa se presentan en la Tabla 1 con Muy Bueno (MB) Bueno (B), Regular (R) y Malo (M).

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Tabla 1. Comparación de diferentes aleaciones de acuerdo a los requerimientos más importantes para fabricación de moldes.

Como resultado se puede ver que hay aleaciones que cumplen muy bien con los criterios térmicos, como lo son el aluminio y un material como el Moldmax, sin embargo pierden la pelea claramente en términos de desgaste y acabado superficial, cuando se comparan con los aceros estudiados aquí. 

Sin embargo, a la hora de encontrar un compromiso que genere excelentes resultados desde el punto de vista de productividad (que es la razón para la que se debe hacer un molde), maquinabilidad y vida útil, nuevos materiales como el Mirrax, el Thermodur o el NAK55 sacan la cara sobre materiales tradicionales.

El ejercicio realizado aquí, de generar la simulación térmica del molde, se convierte en una herramienta que justifica de sobra el tema del mayor costo de las aleaciones especiales sobre los materiales convencionales. Siempre debe verse el valor entregado por un producto, antes que su costo inicial.

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