Diferencie sus moldes de inyección con texturizado láser

Recientes desarrollos en la tecnología láser están permitiendo la generación de texturas y estructuras superficiales sobre moldes de inyección con un nivel de libertad en su diseño y una calidad y reproducibilidad incomparables.

 

Uno de los factores clave para la diferenciación de producto en la industria automotriz se encuentra en la creciente demanda de generar nuevas texturas y acabados superficiales en los exteriores e interiores de los vehículos.

La manera de generar texturas y estructuras superficiales en moldes de inyección se ha centrado históricamente en unos pocos procesos de manufactura. El más común de ellos, cuando se trata de grandes superficies, es un proceso de ataque químico que genera superficies en las que se delimitan las fronteras de los granos del acero, dando como resultado una textura orgánica similar a la del cuero. Este es un proceso altamente manual, con largos tiempos de trabajo en los que el resultado final depende puramente del “artesano” que lo fabrica y de la calidad y el estado metalúrgico de la aleación utilizada por el molde. Esto lo convierte en un proceso poco transparente en cuanto a costos, tiempos y reproducibilidad.

El siguiente proceso más común cuando se quiere dar un acabado rugoso o mate sobre las superficies de los plásticos inyectados, es el acabado electroerosionado; sin embargo, este proceso, irremplazable para la fabricación de detalles volumétricos complejos en cavidades profundas y endurecidas, se vuelve costoso y difícil de controlar para grandes superficies. De igual forma, la manera más común para determinar qué grado de rugosidad se desea es el de comparar el resultado con mostrarios físicos en forma de regletas con una escala VDI o parecida, en la que se deja gran parte del criterio de selección a una decisión subjetiva.

Un tercer proceso que se usa, sobre todo para reparaciones o para dar un grado final de brillo sobre las superficies, es el basado en chorro de partículas abrasivas. De nuevo, el resultado final depende en gran parte de la habilidad de la persona al mando del proceso.

Todas estas técnicas producen resultados poco confiables a la hora de fabricar piezas de repuesto o cuando varias piezas plásticas que hacen parte de un producto final, deben ser ensambladas una junto a la otra. En estos casos, es muy probable que el acabado superficial difiera notablemente entre ellas debido a que un molde fue realizado por un proveedor distinto, o con aceros distintos y procesos no equivalentes. A pesar de los esfuerzos por estandarizar estos procesos, los resultados no son satisfactorios para las demandas actuales de calidad.

Una solución precisa y automatizable

El proceso de texturizado láser, disponible hoy en día a través de una variedad de fabricantes, permite generar estructuras superficiales altamente detalladas, basándose en el principio de remoción térmica de material a través de impulsos muy cortos de energía térmica sobre la superficie del metal. Estos evaporan muy pequeños volúmenes del material guiados de manera muy precisa por un escáner controlado por un sistema CAM que reproduce una geometría previamente diseñada por computador.

Los sistemas CAM de texturización pueden generar archivos bitmap/escala de grises a partir de fotografías o ser alimentados por ingeniería inversa haciendo un escaneo 3D de una superficie natural. De esta manera, ya es posible generar patrones de estructuras superficiales en 2D o 3D nunca antes vistos sobre las superficies de los aceros endurecidos.

Todo esto permite recrear sobre los moldes patrones tejidos asemejando redes de fibra de carbono, superficies cuadriculadas con diferentes acabados que simulan tableros de ajedrez que se extienden sobre superficies libres en una cavidad de un molde, y texturas que asemejan pólipos coralinos o escamas de peces. El límite está dictaminado hoy en día por la creatividad del diseñador.

Un efecto claro de la capacidad de digitalización de estos procesos y la posibilidad de predecir su tiempo de procesamiento mediante simulación 3D, es que hace que la cadena de manufactura esté mucho mejor determinada de manera económica en una red mundial de producción. Se sabe cuánto va a costar un proceso, cuánto va a durar y qué resultado se puede esperar.

Fabricantes como Agie Charmilles, del consorcio GF con su serie Laser P, han venido diseñando máquinas especializadas para el texturizado láser con la capacidad de posicionar el rayo sobre la superficie del molde en 5 ejes.

Estas máquinas tienen la capacidad de mover el cabezal con la óptica láser en su eje A y tener una mesa rotativa para el eje B donde está colocada la pieza de trabajo, además de poseer libertad de movimiento en los ejes X, Y y Z tradicionales.

En cuanto a la potencia de las fuentes de fibra pulsadas de Iterbio, el fabricante las instala con capacidades entre 20 W, para aplicaciones de gran precisión (hasta 0.001 mm), hasta 100 W para mayores tasas de remoción de material. Dependiendo de los tamaños de pieza a trabajar, se consiguen distancias focales de 100 a 420 mm. En la actualidad, la máquina más grande que ofrece AgieCharmilles tiene capacidad para trabajar una pieza de 18 toneladas con un tamaño de hasta 2500 x 1500 x 900 mm. Aquí se pueden texturizar moldes para piezas de gran tamaño como parachoques de automóviles y camiones, consolas o tableros centrales, paneles para puertas, cubiertas para airbags, luces frontales y traseras, interiores para aeronaves y yates de lujo, entre muchos otros. Por supuesto, las aplicaciones se pueden expandir a moldes para fundición y herramientas de forja y estampado, al igual que electrodos para EDM, por decir tan solo algunas.

La gran ventaja de que grandes fabricantes de máquinas herramienta como GF o DMG estén poniendo en el mercado este tipo de soluciones es que les interesa que sus productos sean parte de una cadena de manufactura más grande que incluya otros de los procesos de fabricación de moldes como el fresado o la electroerosión. Para esto, se ofrecen sistemas de referencia cero, del tipo Erowa o System 3R, para sostener las piezas que provienen de una máquina de sinterizado láser, por ejemplo, luego pasan con todas sus referencias a una máquina de fresado y posteriormente el sistema robotizado las localiza automáticamente en la máquina de texturizado láser para su proceso de acabado superficial. Todo sin contacto de ningún operador, lo que reduce tiempos muertos y aumenta la productividad.

Oportunidades por explorar con el texturizado láser

Una de las mayores ventajas del texturizado láser es que los tiempos de trabajo son mucho más cortos que con los procedimientos de ataque químico convencionales. Fabricantes como los alemanes de la empresa Riechle aseguran que se puede reducir el tiempo de texturización hasta en un 70 % (entre tres y cuatro días hábiles por pieza) sin aumentar los costos y comparado con procesos tradicionales. Gracias a la mayor precisión del proceso y la capacidad de estandarización digital, al igual que la eliminación del trabajo manual y el acabar con chorros abrasivos para dar el grado de brillo, se aumenta la calidad final de los productos.

Otra ventaja interesante es que incluso se logra un mejor balance ambiental con respecto a los procesos químicos debido al bajo o nulo consumo de suministros.

Una de las mayores ventajas del texturizado láser es que los tiempos de trabajo son mucho más cortos que con los procedimientos de ataque químico convencionales.

La selección correcta de una textura superficial puede mejorar las características de fricción entre dos materiales. De esta manera se pueden mejorar el tiempo de vida útil de los mismos. De igual forma, texturizar ciertas formas puede aumentar los coeficientes de fricción entre piezas cuando es necesario. Por ejemplo, generar ciertas marcas sobre la superficie de piezas que van a ser sobre-inyectadas puede optimizar en gran medida su capacidad para soportar cargas de torsión o aumentar el efecto de un pegamento entre dos superficies.

Piezas plásticas con tono mate directamente desde el molde

El grado de calidad que reflejan los interiores automotrices está dado cada vez más por el detalle con que se generan las texturas escogidas y la capacidad que existe para producir uniones y traslapos entre las piezas que componen un conjunto.

El proveedor de servicios de estructurado de superficies Riechle utiliza maquinaria de última generación de texturizado láser para entregar estructuras superficiales bajo pedido sobre aceros de herramienta.

El proceso, según afirma la empresa, garantiza la reproducibilidad necesaria para dar una continuidad perfecta del patrón estructural a la hora de fabricar las cavidades para moldes que producen, por ejemplo, las diferentes piezas de un tablero automotriz y las de los revestimientos interiores de las puertas. El proceso digital logra que no se note ninguna diferencia entre una pieza plástica y otra contigua, aún si las piezas están fabricadas en polímeros distintos. Para esto se necesita un conocimiento profundo del comportamiento del plástico en el molde con el fin de poder realizar los texturizados láser en el acero, teniendo en cuenta los diferentes grados de contracción térmica de los polímeros, para que al final las texturas se vean iguales en todas las piezas, incluso con materiales tan disímiles entre sí como el PP, el PC o una PA6-GF15.

Uno de los requisitos clave de seguridad para los fabricantes de automóviles es que se puedan evitar las reflexiones de luz sobre el vidrio panorámico provenientes de piezas en el tablero del vehículo. Entre las opciones que existen hoy en día está el lacar las piezas plásticas con pinturas de acabado mate; sin embargo, esto genera costos adicionales y retos de diseño a la hora de mezclar distintos materiales que pueden generar acabados poco uniformes.

En el caso de cavidades para molde que tuvieron que ser reparadas con rellenos de soldadura, el texturizado láser puede ser usado para recuperar la estructura superficial perdida, siendo necesario mucho menos trabajo manual que de la manera que se hace hoy en día.

Fabricar superficies mate directamente desde el molde mediante el proceso de texturizado láser, permite reemplazar esos procesos de lacado en head-up displays, rejillas para parlantes, direccionadores de aire para sistemas de calefacción y refrigeración, entre otras de las piezas que hacen parte del tablero principal.

Sistemas de medición para superficies: la única forma de generar un proceso reproducible

Como se dijo anteriormente, uno de los principales problemas por los cuales no se logra una buena uniformidad en la textura que se fabrica en la superficie de un molde es la capacidad de determinar sus características con variables que garanticen trazabilidad, sean reproducibles y reconocidas globalmente. Las características de estructura superficial, ondulación y rugosidad definen detalles muchas veces tomados hoy de manera subjetiva como el acabado, la háptica, la textura, marcas, entre otros. Un esfuerzo en este sentido se está realizando a través de la aplicación de la norma ISO 25178, la cual define los parámetros apropiados para determinar y medir texturas superficiales en tres dimensiones.

A la hora de definir una superficie no son suficientes los valores de rugosidad lineal conocidos clásicamente que comienzan con la letra R (Ra, Rz, Rt, etc.). Se han generado entonces parámetros de textura descritos con la letra S, seguidos de sufijos de una o dos letras que dependen de la superficie completa y no de cálculos basados en la medición de una línea. Al momento de medir este tipo de características en superficies se vuelven cruciales los equipos de metrología óptica. Estos pueden estar basados en tecnología confocal, por interferometría y/o por variación de foco, dependiendo de las características geométricas y el tamaño de los detalles a medir. Una empresa que resalta por sus desarrollos en esta área específica para la medición de texturas láser es la catalana Sensofar. La firma, aparte de soluciones de metrología para utilizar en laboratorio de control de calidad, ofrece equipos robustos (su línea S neox, por ejemplo) que pueden ser montados directamente en la máquina herramienta.

Esta combinación de capacidad de fabricación con tecnología para control de calidad de la manufactura, y la ayuda en la producción de estándares globales, permite generar un espectro completamente nuevo en el diseño de productos personalizables y diferenciados hoy y hacia el futuro.