Moldes de fundición de troqueles versus moldes de inyección: ¿Cuáles son las diferencias?

El moldeo de fundición de troqueles y el moldeo por inyección son dos de los procesos de fabricación más utilizados para la producción de piezas de precisión de alto volumen. A primera vista, parecen similar: el material se calienta o se licide, se ve obligado a una cavidad de moho, luego se enfría y se expulsa como una parte sólida. Sin embargo, difieren fundamentalmente en la mecánica , de materiales , Mold de diseño de , la estructura del costo de la estructura , de las piezas y los dominios de la aplicación.

Elegir entre moldes de fundición y moldes de inyección no es trivial: la decisión afecta el costo de las herramientas, el tiempo de entrega, las opciones de materiales, las propiedades mecánicas, las tolerancias, el acabado superficial, la vida útil y la economía general. En este artículo, compararemos los dos en detalle: cómo funciona cada uno, qué deben soportar sus moldes, pros y contras y pautas para seleccionar un proceso u otro.

¿Qué son los fundidos y el moldeo por inyección?

Casting de die (metal)

La fundición a la matriz es un proceso de fundición de metal en el que el metal fundido (típicamente aleaciones no ferrosas como aluminio, zinc, magnesio, cobre) se inyecta bajo alta presión en un molde de acero reutilizable (el dado). Una vez que el metal se solidifica, se abre el dado y se expulsa la parte metálica fundida.

Hay dos categorías principales de casting de matriz:

• Casting de troqueles de cámara caliente : el depósito de metal es parte de la máquina, por lo que el metal se dibuja en una cámara e inyecta rápidamente. Lo mejor para aleaciones con puntos de fusión relativamente bajos (por ejemplo, zinc).

• Casting de troqueles de cámara fría : el metal fundido se vierte en una cámara de disparo separada de un cucharón y luego se inyecta. Utilizado para metales como el aluminio cuyos puntos de fusión son más altos.

Los moldes de fundición (diarios) deben resistir altas presiones, ciclo térmico y fluencia o erosión de metal con el tiempo.

Moldado de inyección (Plastics / Polymers)

El moldeo por inyección es un proceso donde el plástico (polímeros termoplásticos o termoestables) se derrite (o se calienta por encima de su temperatura de flujo) y se inyecta en una cavidad de moho bajo presión. Después del enfriamiento, se expulsa la parte de plástico solidificada.

Los moldes para el moldeo por inyección generalmente están hechos de acero, acero prehardado, aluminio o herramientas compuestas. Los moldes deben manejar temperaturas de fusión, presión, enfriamiento, expulsión y ciclos repetidos de estrés térmico.

Diferencias clave entre los moldes de fundición y los moldes de inyección

Debido a que los materiales y los entornos de procesos difieren tan significativamente, el diseño del moho, las limitaciones y los requisitos de rendimiento divergen. Aquí hay un desglose de los principales factores contrastantes:

Característica	Molde de fundición a muerte	Molde de inyección
Material manejado	Metal fundido (aleaciones no ferrosas)	Plástico fundido / polímero
Temperatura de fundición y estrés térmico	Muy alto (varios cientos de ° C), ciclismo térmico intenso	Inferior (termoplásticos a menudo en un rango de ~ 200-300 ° C o más, dependiendo del plástico)
Presión de inyección / fuerza	Presiones extremadamente altas para forzar el flujo de metal (a menudo decenas a cientos de MPa)	Altas presiones, pero generalmente más bajas que para los metales
Material de molde y dureza	Muy duradero, acero de alta dureza, acero para herramientas o aleaciones resistentes a la erosión, fatiga térmica	Acero (endurecido o prehardado), aluminio para moldes de menor volumen, a veces insertos de cobre de berilio para transferencia de calor
Diseño de pared / contracción / tolerancias	Los metales se encogen y se solidifican; El grosor de la pared, el borrador, el enfriamiento, la solidificación deben controlarse cuidadosamente; La fundición de matriz puede producir tolerancias relativamente apretadas y detalles finos.	Los plásticos tienen una mayor variación de contracción, riesgo de deformación; Grosor uniforme de la pared, ángulos de borrador, diseño adecuado de la puerta y enfriamiento son críticos
Control de temperatura de enfriamiento / molde	Se necesitan canales de enfriamiento, pero la solidificación metálica es inherentemente más exotérmica; Los gradientes térmicos y la extracción de calor son desafiantes	El enfriamiento es una parte dominante del tiempo del ciclo; El diseño efectivo del canal de enfriamiento es crucial para la eficiencia del ciclo
Tiempo de ciclo	A menudo más lento debido al tiempo de solidificación de metales; Pero el alto rendimiento es posible para moldes simples	Los moldes de inyección de plástico a menudo tienen ciclos más rápidos (debido a una menor capacidad de calor, enfriamiento más rápido)
Vida de moho / durabilidad	Muy largo para troqueles bien diseñados; Un buen molde de fundición puede producir cientos de miles a millones de partes antes de requerir la renovación	La vida del molde depende en gran medida del material, el uso, el mantenimiento; Los mohos prehardados o de aluminio tienen una vida más baja; Herramienta de alto volumen Los moldes de acero perdura muchos ciclos
Complejidad y características	Los troqueles a menudo incluyen características para activación, respiraderos, diapositivas, eyectores, inserciones; Pero el comportamiento de fluidez y solidificación del metal restringe las paredes muy delgadas o los subprocesos profundos	Los moldes pueden contener acciones laterales, levantadores, portaobjetos, mecanismos desenroscados, insertos, canales de enfriamiento, sistemas variotérmicos (para moldes complejos)
Costo (herramientas y por parte)	El costo de las herramientas tiende a ser extremadamente alto debido a la dureza requerida, la precisión, la complejidad; El costo por parte se vuelve favorable a alto volumen	El costo de las herramientas también es alto, pero en muchas partes de plástico tiende a ser más bajo que los moldes de fundición de troqueles para una complejidad equivalente; El costo por parte es más bajo, especialmente para los plásticos.
Acabado superficial / Operaciones secundarias	Buenas superficies como posibles, se puede necesitar un acabado mínimo; Las piezas metálicas ofrecen resistencia, rigidez, capacidad de máquina o de superficie.	Las piezas moldeadas por inyección se pueden hacer con superficies de molde texturizadas o pulidas; Los plásticos son más limitados en el mecanizado posterior, pero generalmente necesitan menos mecanizado

Comparación detallada: consideraciones de moldes y herramientas

Diseño de moho para fundición a matrices

• La estructura gruesa y rígida,
  los moldes de fundición deben soportar una presión muy alta y el ciclo térmico repetido sin deformación o agrietamiento. Tienden a ser estructuras robustas y gruesas.

• Control de activación y flujo
  El sistema de activación (Sprue, Runner, Gates) en la fundición a troqueles debe controlar cuidadosamente el flujo de metal de fluido alto, evitar la turbulencia y permitir el relleno adecuado antes de la solidificación. Se pueden usar conos o canales de flujo de desviación para distribuir metal fundido y aliviar la presión.

• El escape de ventilación y gas
  porque los metales pueden atrapar los gases, las características de ventilación y desgasificación adecuadas (como respiraderos, trampas, asistencia al vacío) en el troquel son necesarios para evitar defectos de porosidad o inclusión de gas.

• La extracción rápida de enfriamiento / gestión de calor
  es importante para reducir los tiempos de ciclo y reducir los defectos internos. Los troqueles incluyen canales de enfriamiento o características de transferencia de calor. Pero debido a que los metales se solidifican desde externos hacia el control interno del gradiente térmico es crítico.

• La liberación de eyección / parte
  Una vez que el metal se solidifica, la expulsión debe ocurrir sin dañar la pieza. Los pasadores de eyectores, las placas de stripper o los sistemas de eyectores se integran en el dado.

• Desgaste y mantenimiento
  porque el metal fundido es duro, los moldes deben resistir la erosión, la fatiga térmica y el desgaste. A menudo se aplican recubrimientos de moho (por ejemplo, nitruración, PVD) o tratamientos superficiales. Además, se utilizan insertos reemplazables o endurecimiento localizado para extender la vida.

Diseño de moho para moldeo por inyección

• Precisión y paredes delgadas
  Las piezas de plástico a menudo exigen paredes delgadas, tolerancias apretadas y geometrías complejas. El diseño del moho debe garantizar un llenado uniforme y minimizar la deformación, con características como activación equilibrada, múltiples puertas o sistemas de corredores de calientes.

• Canales de enfriamiento
  El sistema de enfriamiento es a menudo la mayor influencia en el tiempo de ciclo: los modos están diseñados con canales de enfriamiento internos, a menudo cerca de los núcleos de cavidad, a veces enfriamiento conforme o insertos de deflectación para mantener la uniformidad de temperatura.

• Ventilación y escape de aire
  porque el plástico es viscoso y el aire atrapado puede causar quemaduras, disparos o defectos. Se incluyen respiraderos a lo largo de las líneas de separación, los aclaramientos de pasadores del eyector o los microventes.

• Los pasadores de eyectores de eyección / demoldeamiento
  , placas de stripper, mangas, alfileres o explosiones de aire se integran para liberar la pieza sin daños. Un ángulo de borrador es esencial para aliviar la liberación.

• El mantenimiento del molde de vida y mantenimiento
  es crítico: limpieza regular, pulido, inspección de zonas de desgaste y reacondicionamiento ocasional. Los moldes hechos de aceros o aluminio más suaves son susceptibles de desgaste antes.

Ventajas y desventajas: molde de fundición de troquel versus molde de inyección

Cada proceso tiene compensaciones. A continuación se muestra un resumen de pros y contras para cada lado en diseño y operación de moho.

Molde / proceso de fundición de die - Ventajas

1. Propiedades de alta resistencia / mecánica
   Las piezas metálicas producidas por la fundición a la matriz son inherentemente más fuertes, resistentes al calor y duraderas en comparación con las piezas de plástico. Pueden soportar mayores cargas mecánicas, temperatura, desgaste y demandas estructurales.

2. Las tolerancias apretadas y la buena estabilidad dimensional,
   las partes fundidas pueden lograr tolerancias finas y dimensiones más estables, especialmente para los metales que se encogen de manera previsible.

3. Las buenas
   piezas de metal fundido a la superficie a menudo salen con excelente calidad de la superficie, reduciendo la necesidad de mecanizado o acabado.

4. Long Tool Life
   Bien diseñados de moldes de fundición perdura muchos ciclos, lo que los convierte en buenas inversiones para grandes ejecuciones de producción.

5. El metal de consolidación parcial
   permite la combinación de múltiples funciones, roscas o insertos se puede integrar, lo que potencialmente reduce los pasos de ensamblaje.

Molde / proceso de fundición de die - Desventajas

1. Alto costo y complejidad de herramientas
   El costo de los troqueles es muy alto debido al material, la precisión del mecanizado, los tratamientos y la complejidad.

2. Las altas condiciones de funcionamiento
   los mohos deben sostener la presión extrema, la temperatura y la fatiga térmica, lo que hace que el diseño y el mantenimiento exigieran.

3. Limitaciones del material
   La fundición a muerte generalmente se limita a metales de punto de fusión no ferrosos, bajos a moderados (aluminio, zinc, magnesio). Los metales de alto punto de fusión (acero, titanio) son menos prácticos.

4. Porosidad y defectos
   activados, ventilación o enfriamiento inadecuados puede provocar porosidad, defectos de contracción, cierres frías o atrapamiento de gas en partes metálicas.

5. Los tiempos de ciclo más lentos,
   la solidificación y el enfriamiento del metal pueden llevar tiempo, especialmente para secciones gruesas.

Molde / proceso de inyección: ventajas

1. Temperatura de material más baja, más fácil manejo
   de plásticos se derrite a temperaturas mucho más bajas, lo que hace que los mohos estén menos estresados ​​por los extremos térmicos.

2. Un costo de herramientas más bajo (en muchos casos),
   aunque aún caros, los moldes de inyección (especialmente para los plásticos) tienden a costar menos por cavidad que los moldes de fundición de troqueles equivalentes para el metal. Los moldes también pueden usar aceros o aluminio más suaves para carreras de volumen más bajos.

3. Los tiempos de ciclo más rápidos,
   el plástico generalmente se enfría, se solidifica y puede desmoldearse más rápido que el metal, por lo que los tiempos de ciclo a menudo son más cortos.

4. Mayor variedad de materiales y flexibilidad de diseño
   Muchos materiales de polímero con diferentes propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y químicas se pueden moldear. Además, son posibles aditivos, rellenos, colorantes, sobremoldeos y moldeo por inyección multimaterial.

5. Un peso / costo más bajo por parte
   Las piezas de plástico tienden a ser más livianas y, a menudo, más baratas de producir para muchas aplicaciones cotidianas.

Molde / proceso de inyección: desventajas

1. Propiedades mecánicas más débiles
   Los plásticos generalmente tienen menor resistencia, menor estabilidad térmica, menor resistencia al desgaste en comparación con los metales.

2. La contracción, la deformación,
   las piezas de plástico de la variabilidad dimensional son susceptibles de contracción, deformación, estrés de enfriamiento y variación dimensional debido a la variación del proceso.

3. Desgaste de herramientas y mantenimiento
   Aunque menos extremo que en los moldes de metal, los moldes aún se desgasta con el tiempo; Los aceros o insertos suaves se usan más rápido.

4. Las restricciones de superficie y acabado,
   mientras que los moldes pueden tener textura o esmalte, los plásticos pueden mostrar líneas de soldadura, marcas de flujo, marcas de fregadero o requerir un acabado secundario en algunos casos.

Cuándo elegir el molde de fundición de la muerte frente al molde de inyección

Qué proceso es correcto depende en gran medida de los requisitos de la pieza , el volumen de producción , las propiedades del material necesarias y la economía . Aquí hay pautas para ayudar a decidir.

Use el casting de die cuando:

• Necesita piezas de metal con resistencia, resistencia al calor o rigidez (por ejemplo, piezas del motor, carcasas, componentes estructurales).

• Tiene una gran demanda de volumen, de modo que el alto costo inicial de herramientas se amortiza en muchas partes.

• Necesita tolerancias estrechas, geometría compleja, funciones finas en metal.

• El diseño exige comportamiento metálico (conductividad, estabilidad térmica, dureza, resistencia al desgaste).

• El comprador puede aceptar o diseñar en torno a problemas comunes de fundición de metales (porosidad, diseño de activación, control de solidificación).

Use molduras de inyección (plástico) cuando:

• La parte puede estar hecha de plástico (o compuesto) y cumple con los requisitos funcionales (resistencia, térmica, química).

• Necesita piezas más ligeras , buena resistencia química, propiedades aisladas, flexibilidad de diseño.

• Esperas volumen medio a alto , pero no tan alto que las herramientas de metal se vuelven económicas.

• Desea explotar la paleta de materiales amplios (plásticos de ingeniería, plásticos flexibles, rellenos, etc.).

• Desea tiempos de entrega más cortos y un menor costo para la creación de prototipos o las corridas de menor volumen.

En algunas situaciones híbridas, uno podría usar molduras de inyección de metal (MIM) o plástico + sobrecarga de metal o moldeo por insertar, pero eso se mete en un dominio marginal más allá de la moldeo de inyección de inyección de frase pura frente a la inyección.

Comparación de moho: lo que sucede dentro de la herramienta

Para comparar más concretamente, examinemos cómo el diseño de moho (die) difiere en detalles operativos reales:

• La línea de separación y la estructura de moho
  se basan en la fundición de la muerte tienden a tener una sujeción más robusta y secciones transversales más gruesas para resistir la deformación bajo la presión del metal. Los moldes de inyección pueden ser más delicados en lugares, con características más finas.

• Los canales de enfriamiento
  Los moldes de inyección a menudo priorizan los canales de enfriamiento cercanos cerca de las superficies de la cavidad, a veces con enfriamiento conforme. El enfriamiento de los moldes de fundición de troqueles debe administrar una carga térmica grande del metal fundido y garantizar la solidificación direccional.

• Insertos de compuerta y controles
  de metal a veces incluyen insertos de puerta de sacrificio o diseños especiales para manejar el flujo de metal; Las puertas de moho de plástico pueden usar sistemas de corredores de calotes o puertas de válvulas.

• Ventilaje y desgasificación
  en moldes de fundición a matrices, los respiraderos deben manejar el gas evolucionado de metal fundido o aire atrapado; A veces se usa la asistencia al vacío o la presión. En los moldes de inyección, los respiraderos a menudo son microvents, respiraderos de la línea de separación o ranuras de sangrado para permitir el aire atrapado.

• Insertar, deslizamiento y mecanismos de acción,
  ambos tipos de moho pueden necesitar portaobjetos, levantadores o núcleos laterales para socavos, pero la fuerza y ​​las condiciones térmicas difieren.

• Los sistemas de eyectores
  en los moldes de fundición, la expulsión de las piezas metálicas debe ser robusto y explicar la contracción y la contracción. En los moldes de inyección, la eyección se centra en evitar daños al plástico, usar alfileres, mangas, placas de stripper.

• Mantenimiento y renovación
  Los troqueles de fundición a menudo requieren mantenimiento periódico: regresar, recubrir, reparar la erosión, reemplazar insertos. Los moldes de inyección también requieren limpieza, pulido, micro reparaciones, pero la gravedad es más baja.

Ejemplo de caso e ilustración comparativa

Consideremos un producto, digamos, una carcasa electrónica. Supongamos que desea una carcasa de metal frente a la carcasa de plástico.

• El molde de fundición de troqueles de metal permitiría una carcasa fuerte, térmicamente conductora y duradera, ideal para blindaje, disipación de calor o integridad estructural. Pero el costo de las herramientas es alto, y la complejidad parcial debe gestionarse con cuidado.

• El molde de inyección de plástico podría permitir una carcasa más ligera y más barata, opciones de color, flexibilidad de diseño (accesorios, costillas, inserciones) y a menudo es suficiente para la electrónica de consumo. Sin embargo, no transportará peso o cargas mecánicas, así como metal.

Un caso real interesante es una empresa (HLH Rapid) que realiza tanto fundición a troqueles de metal como moldeo por inyección de plástico para piezas en el mismo producto (ver su estudio de caso), por ejemplo, fundición a troqueles para la carcasa, moldeo por inyección para piezas de plástico internas. HLH Rápido Este enfoque híbrido destaca las fortalezas de cada proceso.

Desafíos y compensaciones: Consideraciones del mundo real

Incluso cuando un proceso se ve superior en el papel, las limitaciones reales a menudo dan forma a la decisión final:

1. Diseño para la fabricación (DFM)
   Es posible que se debe alterar un diseño dependiendo de la capacidad de fundición frente a las limitaciones de moldeo de plástico (por ejemplo, subterráneos, espesor de la pared, borrador, activación).

2. Los metales de comportamiento térmico y estructural
   se encogen de manera menos variable que muchos plásticos, pero las tensiones residuales, la dirección de solidificación, los gradientes de enfriamiento y la estructura de grano influyen en la geometría final o los defectos en la fundición a la matriz. Los plásticos arriesgan la deformación, el sumidero, el estrés residual más severamente.

3. Inversión en herramientas frente a volumen
   Cuanto mayor sea el volumen de producción, más justificado es un molde de fundición de diedra pesada. Para volúmenes más bajos, el moldeo por inyección o incluso los métodos alternativos pueden ser más económicos.

4. Parte de peso y costo
   Las piezas de metal son más pesados ​​y más caros de costo de material, lo que puede ser una responsabilidad dependiendo de la aplicación (transporte, restricciones de peso). Las piezas de plástico a menudo ganan en costo por unidad a volúmenes moderados.

5. Las piezas metálicas de acabado / posterior al procesamiento
   pueden necesitar mecanizado, tratamientos superficiales (recubrimiento, anodización, recubrimiento), mientras que los plásticos a menudo salen cosméticamente aceptables directamente del molde (si se diseñan bien).

6. Requisitos de propiedades del material
   para conductividad térmica, rigidez, desgaste, resistencia química, propiedades eléctricas a menudo empujan hacia metal o plásticos de ingeniería particulares.

7. Tiempo de entrega y velocidad de iteración
   Los moldes de plástico se pueden construir e iterarse más rápido; Los cambios en los troqueles de metal son más costosos, por lo que el diseño debe ser más maduro antes de comprometerse.

8. Riesgo de mantenimiento
   Los moldes de metal perduran el desgaste más duro; El tiempo de inactividad o la reparación puede ser costoso. Si la vida o la demanda de su producto es incierta, un molde de inversión más flexible puede ser más seguro.

Conclusión y comida para llevar

'Molde de fundición a muerte vs molde de inyección ' es una comparación vital para ingenieros, diseñadores de productos y fabricantes. Aunque superficialmente similar en concepto (llene un molde con material, frío, expulsado), las realidades subyacentes divergen debido a cómo se comportan los metales y los plásticos.

• Los moldes de fundición de troqueles son de servicio pesado, caros y construidos para manejar el metal fundido bajo presión extrema y calor, entregando piezas de metal fuertes y precisas para una producción de alto volumen.

• Los moldes de inyección son típicamente menos graves en las demandas mecánicas, optimizados para plásticos, a menudo más bajo costo por cavidad, ciclos más rápidos y más versatilidad en los materiales y el diseño.

La elección correcta a menudo se reduce a:

• Qué material debe ser su parte (metal vs plástico)

• ¿Qué propiedades mecánicas, térmicas o eléctricas se requieren?

• Cuántas piezas producirá (para amortizar el costo de las herramientas)

• La complejidad, tolerancias y acabados las demandas de su parte

• Su riesgo aceptable, tiempo de entrega y flexibilidad de iteración

En algunos productos o sistemas, los diseñadores utilizan ambos procesos en tándem: piezas estructurales de metal a través de fundición, piezas de plástico internas o de recinto mediante molduras de inyección. De esa manera, cada parte se realiza por el proceso más adecuado para su papel.