Una guía práctica para el moldeo por inyección de caucho: reglas de proceso, materiales y diseño

Moldeo por inyección de caucho, describe el proceso de alimentar un compuesto de caucho sin curar a través de un cilindro calentado e inyectarlo, a alta presión, en una cavidad de matriz cerrada donde, calor y presión, inicia un componente de elastómero terminado vulcanizado. Actualmente es el proceso dominante para componentes de caucho de volumen medio a alto donde se requieren tolerancias estrictas, bajo flash y tiempos de ciclo cortos. Consulte esta breve descripción general del ciclo del proceso, los tres tipos, selección de compuestos ASTM por niveles ASTM D2000, un marco simple para comparar la selección entre compresión, transferencia e inyección, y los “controladores” de costo real y tiempo de ciclo de los contratistas finales que debe solicitar antes de aprobar una herramienta.

¿qué es el moldeo por inyección de caucho? Una respuesta de 60 segundos

Como ocurre con cualquier proceso de fabricación a alta presión, el moldeo por inyección de caucho es una alimentación compuesta de circuito cerrado a través del componente resultante. A diferencia de la inyección de plástico, donde simplemente se funden bolitas termoplásticas e inyecta la pieza, los componentes de caucho a alta presión se “vulcanizan” dentro de la cavidad (curan químicamente usando un reticulación de azufre o peróxido). La vulcanización es permanente, por lo que la pieza final debe troquelarse con bebedero.

Una unidad de inyección de caucho estándar (con tornillo alternativo motorizado o ariete) consiste en precalentar el caucho a 80-120 °C y luego inyectarlo, utilizando aproximadamente 1500 atmósferas de presión, a través de un sistema de bebedero, canal y compuerta, en una matriz. mantenido entre 150 y 200 °Celsius. Después de un tiempo de permanencia de 60 a 180 segundos para que interactúen los productos químicos reticulados, queda una pieza terminada, que puede ser expulsada. Una combinación estricta de precalentamiento y alta presión, con una temperatura de matriz controlada con precisión, es la razón por la que el proceso disfruta de tiempos de ciclo cortos, tolerancias repetidamente estrictas y menos desechos que los procesos discontinuos como el moldeo por compresión.

Si viaja al piso de producción, las diferencias más obvias están en la escala. Sólo se necesitan unas pocas prensas de moldes de inyección para hacer funcionar más de 400 cavidades por día en un ciclo de 30 segundos al producir un programa de junta tórica, en comparación con una línea de compresión operada por presión (lote) que requeriría docenas de prensas y carga manual. Nuestra instalación engelhardt, con 400 máquinas de inyección de caucho funcionando en China y Tailandia, produciría más de 3000 toneladas de componentes de elastómero de una línea de producción fácil de operar. Otro signo visible de escala está en el flujo de piezas de carga, ciclos y soplado electrónico de prensas de alto tonelaje las 24 horas del día.

Capacidades de moldeo por inyección de caucho de Engelhardt incluya líneas alimentadas por tiras orgánicas y celdas dedicadas de caucho de silicona líquida (LSR), que cubriremos en la sección de tipos a continuación.

Cómo funciona el proceso de moldeo por inyección de caucho (paso a paso)

¿cómo funciona el moldeo por inyección de caucho?

Seis etapas secuenciales. Componer, precalentar, inyectar, sujetar, curar, expulsar. Falla un paso y el disparo falla.

1. Compuesto. Masticar, mezclar y colar. Molino de 2 rodillos o mezclador interno. El compuesto sin curar se corta en tiras o gránulos extruibles en un tamaño de materia prima grande en forma de tubo, listo para la inyección. La reparación interna de familias de compuestos como EPDM, NBR, FKM, silicona, neopreno y caucho natural corta una semana de tiempo de entrega para el cliente en lugar de obtener el material precomparado de un mezclador.
2. Alimentando y plastificando. La tira “a veces moldeada en una preforma para piezas gruesas “pasa a través de un cilindro de tornillo alternativo caliente (80-120 C). El tornillo homogeneiza y alimenta un volumen de disparo calibrado, apenas muere delante de la punta del tornillo para un máximo control. Para caucho de silicona líquida, el disparo se mide previamente en un generador estático de 2 piezas antes de ir a la boquilla.
3. Inyectar. Un actuador hidráulico o eléctrico impulsa el tornillo hacia adelante, para empujar los plásticos de caucho a través de un sistema de bebedero y canal, hacia el molde. La inyección se produce a 100-200 MPa en un momento de 1-3 s para que no quememos la goma prematuramente en el corredor.
4. Abrazadera y runfull. La abrazadera hace tal como su nombre lo indica e intenta mantener las mitades de la herramienta juntas contra la presión inyectada. Un par de 100 toneladas de fuerza de sujeción para un área proyectada de 200 cm a 150 MPa. Si se sujeta ligeramente, se producirá un evento de destello.
5. Habitar. Este es todo el juego la mayor parte del tiempo. Según los datos públicos de Dow Chemical sobre LSR, la permanencia es de aproximadamente 4 a 6 segundos por mm a 150-200 C. Una parte de 5 mm de espesor necesitaría una permanencia de 20 a 30 segundos antes de que el centro esté completamente entrecruzado. En Engelhardt vemos la mayoría de las ejecuciones de tiempo de ciclo porque los ingenieros copian el tiempo de ciclo de una parte más delgada sin volver a trabajar el tiempo de permanencia.
6. Expulsar y desbarbar. La abrazadera se abre y la pieza terminada es expulsada mediante pasadores eyectores. Se retira la chatarra del corredor. Las herramientas de inyección modernas recuperan menos de 2% del ciclo en desechos flash/runner, los hornos de compresión obtienen 10-20%.

El punto clave. Este proceso de seis pasos es una función de segundo orden donde el tiempo de permanencia es el tiempo del ciclo de primer orden. Domine la fórmula del tiempo de respuesta de permanencia y el ciclo se ejecutará solo.

Los 3 tipos de moldeo por inyección de caucho

 

Prácticamente todas las taxonomías publicadas enumeran estos dos tipos de moldeo por inyección de caucho (tira sólida orgánica y silicona líquida). Incluimos el tercero, porque la inyección de caucho termoplástico se ha convertido en su propia categoría. Se espera que los datos del mercado global para TPE/TPR crezcan a una tasa anual promedio de poco menos de 12,4% desde aproximadamente $13b en 2026 a poco menos de $18b en 2033; la rebanada del pastel moldeada por inyección es donde se encuentra la mayor parte del volumen.

Si tratamos el TPR como una nota a pie de página de inyección de plástico, esa ya no es una descripción precisa de la combinación de producción de 2026.

Inyección de caucho orgánico (Solid-Strip)

El caballo de batalla establecido: EPDM, NBR, neopreno, FKM y compuestos de caucho natural funcionan como tiras sólidas alimentadas a un cilindro de tornillo, plastificadas e inyectadas en el molde. Al estimar la mayoría de las piezas de caucho moldeadas por inyección por peso, esta es la opción ideal para burletes de automóviles, soportes antivibraciones, ojales HVAC, sellos de alta resistencia, etc. Disposiciones típicas de cavidades de 4-32.

El costo del compuesto es bajo y el presupuesto de premezcla mínimo, la química de curado es predecible, la flexibilidad del proceso es buena con un rango de durómetro que varía desde 40 sellos flexibles Shore A hasta 90 casquillos estructurales Shore A.

Moldeo por inyección de caucho de silicona líquida (LSR)

LSR, o moldeo por inyección de líquido, es una silicona curada con platino de dos componentes que se vende como líquidos de baja viscosidad en tambores sellados. Es un sistema de baja viscosidad que se mezcla con un medidor en un mezclador estático, se inyecta en un canal frío y se cura con una herramienta caliente 170-200 C. Los LSR llenarán una cavidad mucho más compleja que una silicona sólida, lo que los hace dominar el cuidado del bebé, los tubos médicos, los sellos implantables y las juntas de iluminación para automóviles.

Actualmente, Engelhardt ejecuta celdas LSR dedicadas en programas de iluminación Tier-1 para automóviles y médicos compatibles con FDA, con cavitiing de hasta 16 por herramienta.

Inyección de caucho termoplástico (TPR/TPE)

El caucho termoplástico no se vulcaniza. Se funde, fluye, enfría y fragua y funciona en máquinas de moldeo por inyección de plástico y, en uso, se puede recuperar en proceso. TPR es el elastómero elegido para productos de consumo sobrecargados (mangos de agarre suave, suelas de zapatos, piezas de juguetes) y algunas aplicaciones de sellado interior de automóviles donde el estilo supera la resistencia al calor.

La desventaja: TPR ha reducido significativamente la resistencia a la tracción por encima de alrededor de 100 C y también sufre fluencia bajo carga estática, por lo que no puede considerarse un equivalente directo del EPDM vulcanizado en condiciones bajo el capó.

La conclusión. Elija el material para la aplicación: orgánico para calor e hidrocarburos, LSR para biocompatibilidad y características finas, TPR para sobremoldeo reciclable a temperatura ambiente.

Materiales de caucho utilizados en moldeo por inyección

¿qué materiales de caucho se utilizan habitualmente?

Las seis familias de compuestos que se enumeran a continuación comprenden más de 95% de piezas moldeadas por inyección de caucho comerciales totales. Cada uno tiene una envolvente de servicio única y el estándar ASTM D2000 define un código de tipo (resistencia al calor) y clase (resistencia al aceite) que la mayoría de los equipos de adquisiciones no aprenden hasta que experimentan una falla de campo. Identificar la designación D2000 en un dibujo elimina la mayor confusión posterior sobre qué compuesto debe ejecutar el moldeador. Esto también le da a la adquisición un vocabulario común en todos los procesos de moldeo al comparar cotizaciones.

La otra especificación que se pasa por alto es la contracción. Los compuestos de caucho vulcanizado se encogen aproximadamente 1,5-3,5% desde la temperatura ambiente hasta la temperatura ambiente y ese número varía según el polímero base, la carga de relleno y la temperatura de vulcanización. La silicona está hacia el extremo superior (2,5-3,5%), NBR está hacia el extremo inferior (1,5-2%) y un dibujo impreso sin margen de contracción invita a una segunda revisión de la herramienta.

Engelhardt combina las 6 familias base internamente. Solíamos necesitar 8 árboles de valor diferentes, pero ahora el problema del suministro compuesto se ha factorizado fuera del plazo de entrega. Luego podemos comparar la llamada de un cliente con una sola máquina sobre la misma base.

Por favor consulte nuestra guía de selección de materiales de caucho y durómetros para obtener más información sobre cómo se relaciona el durómetro con la función de la pieza, y nuestro selector de compuestos elastómeros de caucho para ayudarle a comparar entre familias compuestas.

Moldeo por inyección de caucho versus moldeo por compresión y transferencia

Moldeo por inyección de caucho versus moldeo por compresión « ¿Cuál debería elegir?

La inyección, la compresión y la transferencia son los tres métodos estándar actuales de moldeo de caucho, y cada decisión seria de adquisición eventualmente depende de qué proceso especificar. En resumen, gana la inyección: la inyección ofrece la mejor economía de volumen, la tolerancia más estricta posible y el tiempo de ciclo más corto; la compresión tiene el molde más rentable en 10 cavidades y las partes más grandes; la transferencia está en el medio. Una respuesta más matizada depende de ‘una cuestión de tres parámetros mensurables de los cuales usted y su ingeniero deberían estar de acuerdo antes de solicitar cotizaciones:

La regla de las tres señales para la selección de procesos

En el caso de citar, tendemos a utilizar sólo tres señales en lugar de una matriz. Cada señal elige independientemente uno de los tres procesos, si dos de las tres señales eligen el mismo proceso, ese es el proceso correcto.

• Señal 1 «volumen superior a 1 año. 50.000 unidades/año de inyección. Transferencia de 5.000 a 50.000. <5.000 compresión. Menos de 5.000 unidades/año por debajo de 5.000 inyecciones nunca amortiza las herramientas pagadas por unidad frente al menor costo de la herramienta de compresión.
• Señal 2- Tolerancias necesarias. Inyección No más de 0,05 mm.0,1 mm. transferencia.0,2 mm. tolerancias aceptables trabajos de compresión. Las tolerancias mayores implican una presión de bucle cerrado de inyección y flash más prolongada que permite un control de llenado de la cavidad mucho mejor.
• Señal 3 -ñan Comp. viscosidad. La inyección con Mooney bajo a medio (ML 1+4 60) o compuestos rellenos duros que administran o comprimen, porque el tornillo de inyección no maneja tiras de alta viscosidad.

La mayoría de los proyectos de reducción de costos que iniciamos comienzan con un componente que se especificó como moldeo por compresión hace aproximadamente cinco años y ahora alcanza los 80 mil al año. La regla de las tres señales detecta esa deriva (si dos de las tres señales ahora apuntan a la inyección, la herramienta se amortiza en 6 meses).

Lea sobre cada proceso alternativo con más detalle moldeo por compresión de caucho y moldeo por transferencia de caucho, y obtenga la matriz de comparación con más dimensiones de nuestro matriz de comparación de procesos de moldeo en formato imprimible.

Aplicaciones, industrias y piezas típicas

Las piezas moldeadas por inyección de caucho se encuentran en la mayoría de los ensamblajes terminados, pero cinco industrias principales producen la mayor parte del volumen y tolerancias precisas: automotriz, médica, electrónica, plomería/HVAC y equipos industriales. Dentro de cada uno, los productos moldeados van desde consumibles de gran volumen hasta ensamblajes personalizados de una sola unidad. Los requisitos de certificación varían según la industria y el mejor moldeador también tendrá una variada lista de certificaciones que simplemente encajan con las suyas mucho antes de ver su primer dibujo.

• Automotriz (IATF 16949). Sellos climáticos, ojales, soportes de motor antivibraciones, conectores de línea de combustible, casquillos amortiguadores, mangueras de refrigerante. Los proveedores de nivel 1 deben exigir documentación APQP con muestras listas para PPAP y una moldeadora con al menos 1-2 millones de piezas/año para cada programa.
• Médicos y farmacéuticos (FDA, LFGB, ISO 10993). Válvulas, tubos, tapones de jeringa, conjuntos de pezones y sellos implantables de LSR. LSR sigue siendo el rey en este dicat nosotros porque es biocompatible y moldeable en celdas de sala limpia. Las líneas LSR de Engelhardt pueden presumir de tener aprobaciones FDA y LFGB.
• Electrónica (UL 94). Alfombrillas para teclado, ojales para cables, juntas submarinas, sellos de conectores. Las clasificaciones UL rigen la elección del compuesto; Los grados de silicona ignífuga y FKM son frecuentes.
• Plomería y HVAC (NSF, KTW, WRAS, ASTM). Asientos de válvulas, juntas tóricas, acoplamientos de tuberías. Para el contacto con agua de Potter, es mejor si el compuesto está certificado en la etapa de materia prima en lugar de ser suministrado por el moldeador.
• Equipos Industriales. Busing, parachoques, escobillas de limpiaparabrisas, aisladores de vibraciones, rodillos transportadores. Si bien el volumen puede ser bastante grande, la tolerancia es moderada y la resistencia al calor y al aceite son generalmente requisitos esenciales.

Un vistazo a una verdadera instantánea del programa. Inicialmente, un programa de sellado contra la intemperie de EPDM de 420.000 unidades por año, moldeado por compresión en Europa en un ciclo de molde de 420 segundos con chatarra de 14%, se trasladó a un programa de inyección de 8 cavidades en la planta de Engelhardt en Tailandia. Pasar de un ciclo de 420 a 110 segundos, junto con una reducción a una tasa de chatarra de 1,8% y el enrutamiento gratuito a los clientes norteamericanos, ha dejado al competidor sin trabajo sin perturbaciones en la cadena de suministro. La recuperación de las herramientas se produjo en menos de 4,5 meses.

En el caso de piezas sobremoldeadas con inserciones metálicas, soportes 'con caucho adherido, conectores de fluido, soportes de vibración 'como estos, entonces debe consultar unión caucho-metal, que es un proceso alternativo distinto de la inyección de caucho tradicional y requiere su propio diseño de máquina.

Consideraciones de diseño, costo y tiempo de ciclo

Reglas de diseño de moldes que mantienen el flash y la subcura bajo control

La forma más económica de garantizar la tolerancia en una pieza de goma de inyección es conseguir la herramienta correctamente la primera vez. Corrientes en el rango de 0,5-2 en todas las caras verticales, líneas de separación alejadas de áreas críticas de sellado, tamaños de compuerta iguales al flujo compuesto (1-2 mm para existencias bajas de Mooney, 3-4 mm para Mooney altas), profundidades de ventilación de 0,025-0,05 mm para expulsar el aire atrapado sin compuesto sangrante. Para compuestos con mecanismos de curado a base de zinc, las propias cavidades del molde deben estar cromadas duras o nitruradas.

El flash rara vez es un defecto de causa raíz única. Si bien esta es una lista de los culpables más frecuentes. Los marcos de la guía de solución de problemas publicados por Apple Rubber parpadean como un problema de cinco factores del sistema: daño a la herramienta, presión de sobreinyección, fuerza de sujeción deficiente, contaminación del compuesto y velocidad de inyección demasiado rápida. Cuando se produce un destello en una herramienta en funcionamiento, la solución suele ser un ajuste emparejado de las velocidades de sujeción e inyección.

Lo que realmente genera costos

• Costo de herramientas. $8K por prototipo de herramienta de acero de una sola cavidad, $40K ñona $50K para un corredor caliente de 32 cavidades, herramientas de producción de desflamado automático. Las herramientas de aluminio prototipo pueden reducir el costo del prototipo a $3K -$6K, pero se desgastan después de aproximadamente 5000 disparos.
• Costo compuesto por kg. Caucho natural $1.80-$2.50/kg; EPDM $2.50-$3.50/kg; NBR $3.00-$4.50/kg; silicona $8-$15/kg; FKM $30-$80/kg. El compuesto es el principal costo variable de las piezas de alta cavitación.
• Cavitación del tiempo del ciclo. El trabajo por parte y el costo de la máquina son aproximadamente el tiempo del ciclo dividido por la cavitación. Un ciclo de 90 segundos en una herramienta de 16 cavidades produce una pieza cada 5,6 segundos de tiempo de la máquina -, de donde proviene la economía de volumen para la inyección.
• Disparos de amortización. Una herramienta de inyección $24.000 se amortiza a $0,80 por parte en más de 30.000 disparos, o $0,24 por parte en más de 100.000 disparos. La mayoría de los programas de inyección de caucho alcanzan el punto de equilibrio unitario contra el moldeo por compresión entre 10.000 y 30.000 disparos acumulados.

Optimización del tiempo del ciclo

El tiempo de ciclo se puede manipular con tres palancas 'longitud del corredor, cinética de vulcanización y estrategia de enfriamiento ' y estas no se pueden optimizar de forma independiente. Cortar el corredor 30 mm puede reducir el tiempo de inyección en 2-3 segundos. Elevar la temperatura del molde de 170 C a 190 C puede reducir el tiempo de permanencia de la vulcanización en 20-30% para la mayoría de los compuestos (el punto de referencia de los datos LSR de Dow es de aproximadamente 4-6 segundos de permanencia por milímetro de espesor de pared). Pero una temperatura más alta del molde acorta la vida útil de la herramienta y corre el riesgo de quemar el corredor, por lo que la verdadera optimización es encontrar que la temperatura a la que disminuye la permanencia no tiene un costo de mantenimiento excesivo de la herramienta.

Preguntas frecuentes

¿cuál es la diferencia entre el moldeo por inyección de caucho y el moldeo por inyección de

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La diferencia fundamental es la química del curado. La inyección de plástico funde los gránulos termoplásticos, los inyecta en un molde frío y los enfría para solidificarlos. El moldeo por inyección de caucho precalienta el compuesto de caucho sin curar, los inyecta en un molde caliente y utiliza el calor para desencadenar la vulcanización (una reacción de reticulación permanente que no se puede revertir). Como consecuencia, las herramientas de caucho se calientan significativamente más (150-200 C frente a 20-60 C), el tiempo del ciclo generalmente viene dictado por la permanencia de la vulcanización en lugar del enfriamiento, y las piezas de caucho no se pueden volver a fundir ni reciclar como los termoplásticos.

¿Cuánto tiempo se tarda en fabricar un molde de inyección de caucho?

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El plazo típico para un molde de producción de acero es de 4 a 8 semanas, dependiendo de la cavitación y de si se especifica un sistema de canal caliente. Los prototipos de herramientas de aluminio son más convenientes y se envían en 2 a 3 semanas.

¿cuál es la cantidad mínima de pedido (MOQ) para el moldeo por inyección de caucho?

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La cantidad mínima de pedido de producción promedia entre 5.000 y 10.000 unidades para un molde de inyección dedicado, ya que el costo de la herramienta debe amortizarse en al menos tantas piezas para superar la economía por pieza del moldeo por compresión. Para la producción de prototipos o aplicaciones de puentes, Engelhardt puede funcionar tan solo 500 unidades en cavidades compartidas, pero a un precio superior. La cantidad mínima de pedido exacta depende de la función de la cavitación, el compuesto y si el molde es nuevo o existente.

¿puede el moldeo por inyección de caucho soportar el sobremoldeo sobre insertos metálicos?

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Sí, y la unión de caucho a metal es uno de los procesos de sobremoldeo más comunes. Los insertos metálicos se cargarían primero con el agente adhesivo como Chemlok, se depositaría en la cavidad antes del disparo y el caucho se curaría sobre la superficie del inserto. Después del curado, el conjunto adherido final es un componente único.

¿cómo se compara el tiempo del ciclo con el moldeo por compresión

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La inyección suele ser entre 2 y 4 más rápida por pieza que el moldeo por compresión, en gran parte porque el compuesto ya está caliente cuando se deposita en una cavidad caliente existente en lugar de verterse en frío en el molde.

¿es el moldeo por inyección de caucho adecuado para prototipos de bajo volumen?

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Depende de la pieza. Normalmente, por debajo de unas 5.000 unidades al año, el precio de la herramienta no se amortizará en comparación con el moldeo por compresión. Pero si la pieza tiene tolerancias muy estrictas (0,05 mm) o una forma compleja o necesita coincidir con un proceso específico durante la calificación, entonces un prototipo de molde de inyección de aluminio a menudo puede ser la opción correcta (espere hasta $3000-$6000 en costo de herramientas y hasta 2-3 semanas de plazo de entrega.

Esta guía fue recopilada y validada por el equipo de ingenieros de Engelhardt que hace referencia a fórmulas de tiempo de ciclo de los datos técnicos LSR publicados por Dow Chemical, clasificaciones de materiales según ASTM D2000, consejos para la resolución de defectos derivados de la guía de campo de Apple Rubber y una amplia experiencia en producción (15 años).) extraído de las instalaciones de procesamiento de Engelhardt en China y Tailandia. Los tiempos de ciclo exactos, los precios de las herramientas y las recomendaciones de compuestos están sujetos a necesidades de volumen, geometría y certificación y pueden estar dentro de los parámetros indicados en esta guía.