Sugerencias de Diseño

Using Additives to Enhance Functionality of Thermoplastics

Aprenda a mejorar las propiedades estéticas y funcionales de las piezas moldeadas con aditivos como el vidrio y los colorantes

Las resinas termoplásticas poseen por naturaleza propiedades mecánicas que, dependiendo del material, aportan a las piezas moldeadas por inyección fuerza, durabilidad y resistencia contra impactos, junto con otras características. El nailon es fuerte. Los policarbonatos tienen una buena resistencia contra la temperatura. Los TPE (elastómeros termoplásticos) son flexibles y capaces de absorber el impacto. El acrílico añade un buen grado de transparencia. Dependiendo de la geometría de la pieza y de su aplicación, la resina base puede funcionar de maravilla. Sin embargo, cuando se desea mejorar el rendimiento de los plásticos estándares, se pueden añadir a los materiales rellenos de aditivos, tales como fibras de vidrio, cerámica o refuerzos de mineral.

Fibras de Vidrio
Las fibras de vidrio son los aditivos que más habitualmente se utilizan en la inyección plástica de Proto Labs. En función del porcentaje de relleno, las fibras de vidrio mejoran considerablemente la resistencia de las piezas en comparación con las correspondientes resinas sin relleno; a pesar de ello, la fuerza trae consigo el riesgo de quebrantamiento. Por ejemplo, las piezas con relleno de vidrio tienen un buen resultado cuando, en lugar de estar expuestas a grandes impactos y riesgos de deformación, permanecen en un entorno estable en el que apenas soportan peso.
Increase strength of injection-molded parts with glass
Los desarrolladores de productos usan a menudo materiales con relleno de vidrio para aumentar la fuerza de las piezas

Los porcentajes de relleno varían, pero normalmente oscilan entre el 13 y el 45 por ciento, tanto en los plásticos que tenemos en stock como en las resinas que nos proporcionan los clientes. En Proto Labs utilizamos, entre otras, las siguientes resinas con relleno de vidrio: ABS, nailon, acetal, policarbonato, polímero de cristal líquido (LCP), PBT, PET, PPS y resinas de alto rendimiento como PEEK y PEI.

Añadir fibras de vidrio también afecta al proceso de moldeo. Una fibra es una hebra con la misma longitud que un gránulo. Las fibras estándares tienen una longitud de unos 3 mm y las fibras largas de vidrio pueden llegar a medir cerca de 9 mm y 12 mm de longitud, dependiendo de la extrusión. Si nos imaginamos la fibra como un pez, y el conjunto de fibras como un banco de peces, a medida que el material se extiende por la cavidad, los peces se alinean unos detrás de otros nadando por la resina. Sin embargo, cuando el banco de peces se acerca a un pivote del núcleo que crea un orificio en la pieza, el banco debe separarse y nadar rodeando la obstrucción. Esto hace que se modifique el ángulo de la hebra. Por tanto, si aumenta la geometría existente en el recorrido del flujo de la resina, crecen también los ángulos aleatorios que muestran las hebras entre sí.

Las fibras de vidrio restringen el índice de encogimiento de la resina base. La restricción difiere entre longitudinal y longitudinal en perpendicular. Esta última posibilidad crea un encogimiento no lineal y aumenta el estrés interno, lo que eleva a su vez el riesgo de alabeo. Las resinas sin relleno, por lo general, se encogen de forma uniforme durante el enfriamiento, mientras que las fibras de vidrio generan diferentes factores de encogimiento, en dirección del flujo y en dirección transversal. Anticipar este cambio de encogimiento es muy difícil en geometrías con numerosos agujeros, cambios en la longitud y la forma del flujo y cambios en el grosor nominal de la pared. Añadir vidrio mejora el rendimiento, pero también el riesgo.

Al igual que sucede con cualquier material, con relleno de vidrio o sin él, si añadimos radios a la geometría de la pieza, podremos mejorar el flujo. La explicación es sencilla: a la resina le resulta más fácil desplazarse por radios curvados y filetes que sorteando ángulos de 90 grados. El grosor nominal de la pared favorece que la resina se enfríe a la misma velocidad. La inclinación permite que el fabricante del molde compacte la pieza con más firmeza y que se rellene mejor la sección transversal. Suavizar el recorrido del flujo colocando la entrada en el eje longitudinal y minimizar los orificios y giros de la pieza hará que las fibras de vidrio continúen alineadas con el encogimiento previsto en la cavidad del molde. Prestar atención a estas cuestiones ayuda al fabricante del molde a minimizar el riesgo inherente a los rellenos de fibra.

Relleno de Cerámica 

Aunque con una frecuencia bastante menor, también se usan pequeños porcentajes de relleno de cerámica y aditivos reforzados con mineral con el objetivo de aumentar la resistencia de la pieza a la temperatura. De la misma forma que el vidrio, estos rellenos añaden fuerza a las piezas pero, también en este caso, aumenta el riesgo de rotura. Por tanto, es necesario estar atento ya que estas piezas pueden quebrarse o mellarse.

También debe tenerse en cuenta la forma del relleno. La fibra de vidrio es larga y flexible y la dirección suele ser longitudinal. Los rellenos de mineral son copos planos, de dimensiones diferentes y con dirección. El polvo es simétrico: se compacta bien y se distribuye incluso más uniformemente dentro de la sección transversal de la pieza; de esa forma el relleno reduce el riesgo de alabeo. Además, generalmente no pasa de un índice de encogimiento uniforme a un índice de encogimiento lineal. En todo caso, el índice de encogimiento solo se reducirá ligeramente. Los gránulos de vidrio son otra forma de relleno con dimensiones diferentes. Imagínese una piscina de bolas. Normalmente, el gránulo tiene forma de bola. Aunque se compactan bien y aumentan la deformación térmica del material, por lo general no aumentan la fuerza estructural como lo hacen los rellenos de fibra de vidrio. La piscina de bolas permanece uniforme y minimiza el efecto sobre los índices de encogimiento uniforme. Una vez más, el relleno contribuye a reducir el estrés interno.

Resinas Termoconductoras

En la actualidad, Proto Labs utiliza resinas termoconductoras en función de la geometría y la facilidad de relleno. La línea de termoplásticos termoconductores de CoolPolyT utiliza un relleno propio especial para crear las propiedades de conducción, que está a medio camino entre plástico y metal. Estos materiales funcionan bien en los casos en los que se desee reducir el peso de las piezas y aumentar la libertad de diseño. No obstante, recuerde que las geometrías delicadas como paredes finas o detalles pequeños puede hacer desaconsejable el uso de resinas termoconductoras.

Salt-and-pepper blue colorant mix
Proto Labs utiliza habitualmente un 3 por ciento de mezcla de colorante espolvoreado.

Cambiemos ahora de aditivos que modifican las propiedades mecánicas de las resinas a los que proporcionan modificaciones de color, es decir, los colorantes. Proto Labs ofrece una gama de colorantes que pueden añadirse a la resina base sin ningún coste adicional. Las resinas base termoplásticas básicamente son negras, naturales y claras; y los colorantes pueden añadirse a las dos últimas. Por lo general, empleamos un 3 por ciento de mezcla espolvoreada (visualice el vídeo), con pequeños porcentajes de resinas transparentes, como el policarbonato. Hay que tener en cuenta que la mezcla no ofrece una coincidencia exacta de color. Aunque un material en concreto pueda aceptar un determinado colorante, los colores de la piezas son aproximados. Si carga un modelo 3D en CAD, nuestro sistema ProtoQuote le indicará automáticamente qué colorantes son compatibles con los materiales. En Proto Labs, también podemos crear colorantes específicos en función de sus necesidades y los ingenieros de nuestro Servicio de Atención al Cliente podrán aconsejarle.

Resina precompuesta

Cuando su producto necesite coincidencias exactas de color o el empleo de diversos aditivos para garantizar que las piezas y la selección de resina funcionan en el entorno deseado, deberá suministrar al fabricante del molde una resina precompuesta. Precompuesta quiere decir que un proveedor como, por ejemplo, Plastribution o Albis mezcla todos los aditivos en un gránulo para garantizar la uniformidad de los colores y la distribución. En el material precompuesto todos los gránulos son iguales, mientras que en la espolvoreada hay una dispersión aleatoria de gránulos.

Nuestros ingenieros del Servicio de Atención al Cliente no son expertos en materiales; sin embargo, tienen un exhaustivo conocimiento de los materiales más utilizados habitualmente, dependiendo de la industria y de la geometría. Por ello, pueden ayudarle proponiendo alternativas o mencionando dos o tres resinas diferentes que pueden funcionar. Probando tan solo unas pocas resinas, podrá afinar aún mejor la geometría que responde a las necesidades de su producto. Si desea consultar una descripción completa de los termoplásticos y sus cualidades, descargue gratis el sumario técnico La Importancia de los Materiales.

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