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PROYECTO TÉCNICO-ECONÓMICO DE DISEÑO DE UN MOLDE DE INYECCIÓN DE PIEZAS DE PLÁSTICO MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE PROTOTIPADO RÁPIDO

Autor: Gorostidi Menéndez, Francisco Javier

Director: Manini Gumz, Javier

Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

Aunque no seamos totalmente conscientes de ello, vivimos rodeados de piezas de plástico: en casa, en el trabajo, en la escuela… Existen innumerables tipos de procesos para fabricar estas piezas, entre ellos la extrusión, el soplado o el laminado. Sin embargo, la técnica más empleada para fabricar este tipo de piezas es y será la inyección, por su grado de automatización, su sencillez y su bajo coste de producción.

A pesar de su bajo coste de producción por pieza, la inyección requiere una inversión inicial importante. Los moldes de inyección, tradicionalmente fabricados en aceros tratados, tienen un alto coste que oscila entre los 5.000 y los 25.000 euros. Además de eso, los tiempos de fabricación de estos moldes son muy largos, de incluso meses. Por estos motivos, la inyección suele emplearse para fabricar grandes series de piezas, del orden de cientos de miles. Los moldes de acero aguantan hasta un millón de ciclos de inyección hasta que se deterioran y ya no sirven. Otro aspecto importante de esos moldes es el hecho de que su diseño y fabricación han de ser muy acertados, por su elevado coste y largos periodos de fabricación, y porque no admiten modificaciones.

Una alternativa a los moldes de acero son los moldes de aluminio. Su precio sigue siendo bastante elevado, y sus periodos de fabricación son casi tan largos como los de los moldes de acero y tampoco admiten modificaciones. Además, estos moldes tienen una vida útil considerablemente menor que la de los de acero, del orden de decenas de miles de ciclos de inyección.

En los últimos veinte años aproximadamente, hemos visto como las tecnologías de prototipado rápido, fabricación aditiva o impresión 3D han avanzado considerablemente, apareciendo incluso nuevas tecnologías y materiales. Estas tecnologías representan una alternativa para la fabricación de piezas de plástico, pero tan solo para el uso en prototipos o series muy pequeñas. Esto se debe a que el tiempo que emplean en fabricar cada pieza y el coste unitario de hacerlo son muy elevados. Sin embargo, estas tecnologías tienen la ventaja de que su tiempo de puesta en marcha es inexistente., ya que podemos fabricar una pieza directamente desde un archivo CAD, transformándolo a formato “.STL”. Además, las posibles modificaciones solo implicarían modificar dicho archivo.

   

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Por lo tanto, podemos deducir que no existe un método extendido para fabricar tamaños de lote medios de piezas de plástico. De este vacío surge la idea, practicada ya por algunos fabricantes, de combinar ambas tecnologías, diseñando un molde híbrido que combine partes estructurales de acero con improntas fabricadas mediante prototipado rápido. Este molde combinaría las ventajas de ambos procesos: se reducirían los costes y los tiempos de fabricación respecto a los moldes tradicionales de acero, se podrían fabricar piezas a la velocidad de la inyección tradicional y los moldes permitirían modificaciones sin un alto coste ni largos tiempos de espera para su puesta en marcha.

El objetivo de este proyecto es diseñar dicho molde híbrido, definir su fabricación, determinar todas las variables que intervienen en el proceso de inyección y realizar un estudio detallado de rentabilidad comparando esta novedosa técnica con sus alternativas. Dicho estudio se llevará a cabo empleando como ejemplo una pieza diseñada para ser inyectada en la máquina de inyección “Babyplast 6/10P”.

Como primera aproximación, se ha realizado una revisión detallada o “estado del arte” de las técnicas existentes, analizando cada variable de la inyección de plástico y del prototipado rápido. Después se ha estudiado la máquina de inyección en cuestión, identificando sus parámetros y restricciones. A continuación se ha diseñado una pieza modelo para realizar la definición de las variables del proceso y el estudio de rentabilidad.

La pieza diseñada es un porta-auriculares de plástico, que da respuesta a un problema muy cotidiano hoy en día: que los auriculares se enreden en nuestros bolsos, bolsillos y mochilas, haciéndose nudos imposibles de deshacer. Esta pieza se ha diseñado en un módulo CAD y se ha fabricado mediante prototipado rápido para su muestra y estudio.

Una vez determinada la pieza, se ha diseñado en CAD el molde de inyección híbrido o mixto, con partes mecanizadas en acero e improntas fabricadas por prototipado rápido. Todos sus componentes han sido diseñados de acuerdo con las especificaciones de la

Figura  1:  Porta-­‐auriculares  fabricado  mediante  prototipado  rápido.  

   

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pieza y de la máquina de inyección. Además de eso, se han realizado los cálculos para determinar las variables y parámetros de la inyección de dicha pieza en la máquina en cuestión.

Por último, se ha realizado un estudio económico detallado de esta tecnología y sus alternativas, analizando costes y tiempos. También se ha expuesto un breve plan de negocio.

Los resultados obtenidos indican, como era de esperar, que esta tecnología es rentable para tamaños de lote medios, de entre 30 y 200 piezas. Esta tecnología conlleva un ahorro económico del 60% y un ahorro en tiempo de fabricación del 50%. Además se ha realizado un presupuesto para el diseño, la fabricación y el montaje del molde, resultando un importe de 1800 euros aproximadamente.

Figura  2:  Molde  diseñado  en  CAD  con  sus  diferentes  sistemas  y  elementos.  

   

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TECHNICAL AND ECONOMIC PROJECT ABOUT THE DESIGN OF AN INJECTION MOLD FOR PLASTIC PARTS BUILT WITH RAPID PROTOTYPING TECHNOLOGIES

Author: Gorostidi Menéndez, Francisco Javier

Director: Manini Gumz, Javier

Collaborating Entity: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

Even if we are not completely aware of it, we are surrounded of plastic parts everywhere: at home, at work, at school… There are plenty of methods for producing these type of parts like extrusion or lamination. However, the most common technique to produce plastic parts is and will be injection molding, because of its easiness and its low costs.

Despite its low production cost per piece, injection molding requires a large initial investment. Injection molds traditionally made of treated steel have a high cost ranging between 5.000 and 25.000 euros. Besides that, the time implied in manufacturing these molds are very long. For those reasons, injection molding is often used to manufacture large quantities of parts, hundreds of thousands. Steel molds hold up to one million injection cycles until they are no longer useful. Another important aspect of these molds is the fact that its design and manufacturing have to be very precise, because of its high cost and long manufacturing periods. They do not admit variations.

Aluminum molds are an alternative to steel molds, but their price is still quite high, its production periods are almost as long as those of steel molds and they allow no amendments. Moreover, these molds have a shorter life and can handle tens of thousands of injection cycles.

In the last twenty years or so, we have seen how rapid prototyping technologies, additive manufacturing or 3D printing has advanced considerably, appearing new technologies and materials. These technologies represent an alternative for the manufacture of plastic parts, but only for their use for prototypes or very small quantities. This happens because of the time used to manufacture each piece and the unitary cost of doing so. However, these technologies have the advantage that their starting period is nonexistent.

Therefore, we can deduce that there is no extended method for manufacturing medium batch sizes of plastic parts. This lack arises the idea, already practiced by some manufacturers, of combining both technologies, designing an hybrid mold that combines structural steel parts with imprints made by rapid prototyping. This mold

   

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would combine the advantages of both processes: the high costs and long production periods of traditional steel molds would be reduced, and it would be possible to produce parts at the speed of traditional injection molding, allowing modifications without high costs or long launching periods.

The aim of this project is the design of such hybrid mold, defining its manufacture, determining all the variables involved injection molding process and making a detailed economic study comparing this novel technique with its alternatives. This study was carried out using an example part intended to be injected in the “Babyplast 6/10P” injection molding machines.

As a first approach, a state of the art including all the existing techniques has been made, analyzing each variable of injection molding and rapid prototyping. The injection-molding machine has also been studied, identifying its principal parameters and constraints, and a part has been designed.

The part is a plastic carrier for headphones. It has been designed with CAD, and a prototype has been produced by Fused Deposition Modeling, a rapid prototyping technology.

Once the piece was established, the hybrid mold has been designed. All components have been designed according to the specifications of both the part and the injection-molding machine. Besides that, the calculations have been performed to determine the variables and parameters of the injection molding process.

Eventually, a detailed economic study of this technology and its alternatives has been developed analyzing costs and times. A brief business plan has also been explained.

Figure  1:  Headphones-­‐carrier  built  with  RP  technology  

   

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As expected, the results show that this technology is cost-effective in means of quantities between 30 and 200 pieces. This technology brings 60% cost savings and a reduction in manufacturing time by 50%. In addition, we have made a budget for the design, manufacture and assembly of the mold, resulting in an amount of approximately 1800 euros.

Figure  2:  Injection  mold  designed  by  CAD  with  all  its  components.