Materiales para moldes: aleaciones tradicionales frente a nuevas opciones

Materiales para moldes: aleaciones tradicionales frente a nuevas opciones

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Al elegir un molde parece innecesario plantearse algunos requisitos que este deba cumplir. La mayor parte de las veces, la tarea de especificar un molde se lleva a cabo en el momento de decidir la compra de una máquina y se deja a criterio de quien especifica la máquina, no pocas veces el fabricante de la misma.

Esta práctica tiene muchas ventajas y por eso es tan extendida en la industria. No obstante, conviene preguntarse: ¿Qué características debe cumplir un molde? Al responder esta cuestión, se encontrarán otros interrogantes: ¿Cómo influye el molde en la productividad de mi máquina? ¿Podré mejorar en algo mi competitividad si modifico ciertas características del molde? Este artículo busca plantear algunas inquietudes y mostrar, así sea de manera rápida, que existen alternativas cada vez más variadas en materiales para moldes.

¿Qué buscamos en un molde?
Podría parecer una simpleza, pero hay que decir que la primera misión que debe cumplir un molde es reproducir fielmente las características de la pieza terminada que se quiere fabricar. Y, se debe añadir, hacer esto en las condiciones de proceso. Ya esta segunda condición limita las características de los materiales: debe ser mecánicamente resistente a las presiones desarrolladas dentro de la máquina, tener un punto de fusión superior al del polímero que se va a inyectar (y a la temperatura de trabajo que el molde debe tener), suficiente dureza para no perder las dimensiones a pesar del uso y conformarse a las especificidades del montaje que la máquina misma requiera (cambio rápido, por ejemplo).

Adicionalmente, debe cumplir unos requisitos que no se relacionan ya con el metal o el plástico, sino con la duración del ciclo de fabricación de la pieza. Por ejemplo, debe tener una buena capacidad de conducir el calor, para calentarse o enfriarse según sea necesario en el ciclo y no convertirse en limitante para la reducción del tiempo de fabricación, que es la obsesión en esta época de competencia global. Y, no podemos olvidarlo, debe poderse soldar para permitir reparaciones.

Los fabricantes de aleaciones para moldes han entendido la necesidad de ofrecerle a la industria de transformación de plásticos unas alternativas más versátiles, acomodadas a las nuevas técnicas de producción y que permitan la competitividad en la era actual. El material más utilizado tradicionalmente para la fabricación de moldes de inyección es el acero AISI P-20 o DIN 1.2363, usualmente con una adición de 1% de níquel.


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Sus buenas propiedades y su relación de costo lo hacen la primera opción en la mayoría de los casos. Contra este tipo de acero se comparan la mayoría de los nuevos desarrollos (la Tabla 1 resume las principales diferencias en propiedades físicas relevantes para la industria plástica).

Fabricantes tradicionales de aceros especiales ofrecen nuevas aleaciones de aceros. Pero hay también quienes hacen ofertas de materiales no convencionales, que bien vale la pena conocer y estudiar. Entre estos últimos están los moldes de aluminio y de cobre, con énfasis en los altos valores de conductividad térmica de estos materiales y de sus combinaciones.

Algunos expertos afirman que en la industria de fabricación de moldes hay una tendencia generalizada a sobre utilizar el acero, aún en cavidades e insertos donde otros materiales se desempeñan mejor. Esta tendencia resulta en la pérdida de oportunidades para el fabricante de moldes. A pesar de que son materiales que se usan en la industria desde hace más de 20 años, las aleaciones de cobre y los aluminios todavía están en su fase inicial y pueden ofrecer una ventaja competitiva. Las novedades en materiales significan ahorros para el fabricante de moldes en términos de costos unitarios, debido a que se hace posible producir más en menos tiempo, y para el usuario significan menos abrasión y mayor durabilidad.


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Dureza y maquinabilidad
Los aceros deben sus propiedades a una combinación del efecto endurecedor del carbón combinado con otros elementos, como cromo o molibdeno. Las aleaciones convencionales, sin embargo, alcanzan sus límites de desempeño al verse enfrentadas a nuevas resinas y a exigentes tiempos de producción, que requieren tasas de mecanizado hasta ahora desconocidas.

Hasta ahora, la base de la metalurgia ha sido el carbono, pero algunos fabricantes se han propuesto cambiar este enfoque en búsqueda de un mejor desempeño. Industeel MKT Special Steels, con sede en Pensilvania, Estados Unidos, ha desarrollado una metalurgia con base en boro para producir su serie de aceros Superplast 300, con la que han alcanzado durezas hasta de 300 HB a penetraciones hasta de 800 mm desde la superficie. El contenido de carbono es reducido, con lo que se logran tasas de remoción de material hasta 33% superiores, y la conductividad térmica se mejora entre 15% y 20%. El fabricante afirma además que la soldabilidad también mejora con respecto a los aceros P-20.

En aceros pre-endurecidos hay una tendencia clara hacia la reducción del contenido de carbono, tanto en materiales resistentes a la corrosión como en materiales convencionales. La aparición de áreas duras dentro del acero se debe a segregaciones de carburos durante la solidificación de acero líquido.

Tales secciones duras dentro del material generan defectos en la superficie pulida del molde y ondulaciones, que además de dañar la pieza moldeada desgastan antes de tiempo las herramientas de maquinado. Al tener un contenido reducido de carbono, la posibilidad de que aparezcan estas segregaciones disminuye.

Para evitar la aparición de una fase de ferrita delta y la segregación de carburos, Bohler Uddeholm ofrece la nueva aleación Bohler M303 Extra. Estudiando la composición del acero 1.2316, se vio que con 16% de cromo la fase de ferrita delta ocurría a temperaturas de forja de 1200°C. Para contrarrestar este efecto, se identificó que es posible utilizar nitrógeno en sustitución parcial del carbono, con lo que a su vez es posible reducir la aparición de carburos ricos en cromo y, por tanto, reducir el contenido de cromo de la matriz. El material resultante se puede endurecer hasta 32 HRC.

Puede ser pulido sin requerir refundición, y por ser un grado pre-endurecido ahorra el tratamiento térmico posterior. Además ofrece una resistencia a la corrosión similar a la de un acero 420, de acuerdo con la empresa, y comparado con un grado inoxidable resulta más fácil de maquinar.

Bohler Uddeholm provee nuevos materiales que pueden reemplazar a los grados S7 y H13 en rangos de dureza de 50 a 62 HRC, incluso teniendo alta tenacidad. Sin embargo, su conductividad térmica está por encima de la del H13, lo que le permite reducir el tiempo de ciclo durante el moldeo. Estos grados reemplazan a los aceros convencionales trabajados en frío, que tenían que ser templados a bajas temperaturas, sacrificando la soldabilidad, la capacidad de recubrimiento o el nitrurado. Cuentan con una excelente capacidad de pulido y texturización, gracias a la uniformidad de la matriz lograda con procesos especiales de refundido.

En aplicaciones de moldeo de poliamidas reforzadas con fibra de vidrio, esta nueva gama de materiales puede elevar la vida del molde hasta en 20%.
International Mold Steel ofrece el PX5, que combina una excelente maquinabilidad con una dureza consistente en todo el espesor y la ausencia de segregaciones de carburo, que ponen en riesgo las herramientas de maquinado.

La hora de los no-ferrosos
Al momento de seleccionar el material para hacer un molde es fundamental hacerse las preguntas que se haría el cliente. La resistencia a la abrasión, la capacidad de sostener la presión en la línea de partición, la conductividad térmica y la resistencia a la abrasión y al ‘abuso’ durante la producción son los principales requerimientos de un material para un molde de inyección.

Para un molde de soplado es adicionalmente importante saber acerca de la corrosión intergranular en las líneas de enfriamiento y la corrosión galvánica, que se genera al combinar metales disímiles.

Aunque hoy en día hay muchas resinas que pueden dañar o rayar aleaciones de cobre o aluminio, la mayoría de las resinas ‘commodities’ no generan ningún problema a las cavidades no-ferrosas, incluso si los moldes se usan hasta en el orden del millón de ciclos. Además, los moldes no ferrosos se pueden adaptar con insertos de acero en ambas caras, para proteger las líneas de partición.

Debido a la facilidad de corte y a su conductividad térmica el aluminio ofrece grandes beneficios frente a los aceros convencionales. Las fuerzas específicas de corte son menores y las virutas más cortas. Cuando se usan herramientas de corte de alta velocidad se ahorran costos de máquina y tiempo, a la vez que se logran vidas de herramienta más largas. Y aunque el módulo de elasticidad del aluminio sea inferior y haya que incrementar las dimensiones del molde hasta en 45% para compensar las presiones de moldeo requeridas, el peso resultante del molde es mucho menor (aproximadamente la mitad).


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Según Chris Jones, de la empresa Rapid Die & Engineering en Michigan, la fabricación de moldes de aluminio puede reducir el costo total de diseño y manufactura entre 15% y 25%. Aunque comparado con el acero tiene una menor durabilidad, ahora se encuentran disponibles en el mercado grados que permiten el moldeo hasta de 200 mil ciclos. Para corridas cortas o fabricación de prototipos, el aluminio puede ser la mejor opción. En aluminio para moldes se ha avanzado en dureza superficial y resistencia. La uniformidad a través del espesor de las piezas también ha mejorado gracias a tratamientos térmicos. Las tasas de remoción de material se han incrementado, al igual que la calidad de los acabados superficiales.

En un estudio para comparar moldes de aluminio con moldes de acero P-201, se encontró que con aluminio se ahorra 10% en la manufactura, a la vez que se gana entre 15% y 30% en conducitvidad térmica. Además, las piezas moldeadas en aluminio pueden producirse a temperaturas menores, logrando mejor calidad en la pieza moldeada.

La multinacional Alcan, en su división de producción de aluminio, ha desarrollado varios grados para la producción de moldes. Los grados Certal SPC de alta resistencia y el Alumold 500 se pueden emplear para corridas medias y largas, ya que ofrecen buenas propiedades mecánicas, buena maquinabilidad y alta estabilidad dimensional antes y después del mecanizado. Tienen una estructura de grano homogénea en toda su sección y pueden tratarse superficialmente. Son idóneos para el moldeo de polietileno, ABS, poliamidas, PETP y PPO.

También de Alcan es el grado Alcast, un grado fundido de alta resistencia, especialmente diseñado para corridas cortas o para moldes prototipo o de termoformado. Es altamente sensible al tratamiento térmico y ofrece una baja porosidad residual, una estructura de grano fino y uniforme y propiedades mecánicas consistentes en todo el espesor, a la vez que tiene bajos esfuerzos residuales.

La alemana Alimex Metallhandelsgesellschaft mbH produce el ACP 5080R, un aluminio libre de esfuerzos y fundido con alta estabilidad dimensional, hasta en condiciones extremas de mecanizado.

La conductividad térmica es reina
Un metal con alta conductividad térmica ofrece dos ventajas: ahorro en el tiempo de ciclo y un enfriamiento más uniforme de la pieza moldeada. El ahorro en tiempo de ciclo es una de las pocas herramientas que tienen los transformadores de plásticos para enfrentar la presión a la baja de costos.

Aunque los moldes de materiales especiales pueden requerir una inversión inicial mayor, generalmente el ahorro en tiempo de moldeo hace que estos moldes se paguen solos en seis meses. 

Por otro lado, el enfriamiento uniforme es fundamental para evitar una distribución inadecuada de esfuerzos internos en la pieza moldeada, que conllevan a la fractura a esfuerzos inferiores a los de diseño. Adicionalmente, se pueden generar distorsiones dimensionales en piezas de pared gruesa.

Por último, las concentraciones de temperatura generan la concentración de gases dentro del molde debido a la concentración de calor, a reacciones químicas que se pueden presentar con la resina y a condensación de humedad. Esta generación indeseada de gases puede producir porosidades en la superficie de la pieza moldeada, degradación y decoloración e incluso corrosión en la superficie del molde.

Las aleaciones basadas en cobre promueven un enfriamiento rápido y uniforme, debido a su alta conductividad. Además, han sido reconocidas por tener suficiente dureza y resistencia al desgaste.

MoldMAX es una aleación de cobre de alto desempeño fabricada por Brush Wellman Inc. con sede en Ohio, Estados Unidos. Se caracteriza por tener alta conductividad térmica y, de acuerdo con su fabricante, ha sido capaz de reducir el tiempo de ciclo en ciertas aplicaciones hasta en 30%, incrementando la calidad superficial de las piezas moldeadas. Está especificado para componentes del molde e insertos, anillos de cuello, manijas, boquillas de colada caliente y distribuidores. La versión LH tiene una dureza y una resistencia comparable a la del acero P-20, pero una conductividad térmica cinco veces superior.


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Ampco Metal SA, en Suiza, provee la serie de aleaciones de cobre Ampcoloy, que combinan una dureza aceptable (cerca a 210 HB) con una conductividad eléctrica hasta 12 veces superior a la del acero. En moldes con insertos de Ampcoloy se han reportado reducciones de tiempo de ciclo al menos de 20%, y, en algunos casos, se ha llegado hasta 80%, con respecto a moldes que son completamente manufacturados en acero. Todo depende del tamaño y perfil de la pieza moldeada. En cualquier caso, el incremento en la productividad es al menos de 25%.

Debido a que se cuenta con una mejor dispersión de calor y a la velocidad de enfriamiento, es posible reducir el alabeo en la pieza moldeada, disminuyendo el rechazo de piezas. También se mejora la consistencia entre ciclos. Y gracias a que la conductividad térmica de los insertos es de 5 a 10 veces mayor que la de los aceros de herramienta, se requieren menos canales de enfriamiento de agua (en algunos casos se eliminan del todo los canales de enfriamiento).

De acuerdo con la empresa, las aleaciones de cobre de alta conductividad absorben las altas temperaturas y el choque térmico experimentado por la pieza plástica al inyectarse en la cavidad y mejorando la estabilidad del componente. Además, la superficie puede ser pulida hasta un acabado espejo hasta cuatro veces más rápido que en un acero de herramientas, un aspecto crítico para la manufactura de componentes ópticos o empaques traslúcidos.

Nuevas aleaciones de cobre-berilio están disponibles en rangos de durezas hasta de 40 HCRC. También hay aleaciones de níquel de 30 HRC (el rango de dureza típico de un P-20 es de 30 HRC). Sin embargo, su conductividad es incluso superior a la del aluminio. Bohler Uddelhom suministra algunas aleaciones en este rango.

Un aspecto poco conocido es la corrosión en materiales no ferrosos. A veces se puede evitar con el sólo hecho de mejorar la calidad del agua que entra en el molde, o evitar el uso de químicos. Sin embargo, también es posible ajustar las condiciones de producción para evitar que esta corrosión aparezca, o al menos para limitarla y evitar que se vuelva destructiva. La corrosión galvánica, por otro lado, puede limitarse usando aislantes entre los metales que entran en contacto.
1The Realities of Aluminium Tooling. Sherry L. Baranek, "Moldmaking Technology", enero de 2008.

CONSULTE LOS CATÁLOGOS DE PROVEEDORES DESTACADOS DE:


TECNOLOGÍA DE PUNTA PARA LA INDUSTRIA METALMECÁNICA


MAQUINARIA Y EQUIPO PARA ELECTROEROSIÓN

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