En su entorno actual, probablemente haya cinco o más artículos fabricados mediante moldeo por inyección de metal. Es una de las formas más rápidas y rentables de fabricar piezas y productos metálicos. El moldeo por inyección de metal fue inventado en la década de 1970 por Raymond Wiech, físico e investigador de la NASA.
Hoy en día, la mayor parte del moldeo por inyección y la fabricación de metales a nivel mundial se realiza en China, donde los costos son bajos y la tecnología es muy avanzada. EzraMade es líder en este sector.
¿Cuál es la definición de moldeo por inyección de metal (MIM)?
El moldeo por inyección de metales se refiere a la producción de piezas metálicas mediante el proceso de moldeo por inyección . Los materiales utilizados incluyen polvos metálicos y termoplásticos finamente mezclados. El proceso de inyección y moldeo se realiza de forma similar al moldeo por inyección de plástico, aunque existen algunas diferencias entre ambos, como verá más adelante.
El moldeo por inyección de metal es fundamental en la producción de piezas de automoción, electrónica de consumo, dispositivos médicos y componentes aeroespaciales. En otras palabras, sus aplicaciones son extensas y, como era de esperar, la demanda es enorme.
Raymond realizó su descubrimiento aprovechando años de investigación y avances en metalurgia en la industria aeroespacial. MIM crea piezas complejas y dimensionales con mayor rapidez y rentabilidad. Es una técnica de producción en masa.
Normas internacionales como ISO y MPIF rigen la calidad, el uso seguro y la fabricación de piezas MIM. Con densidades registradas de hasta el 95 %, las piezas MIM son robustas y resistentes como las piezas de metal forjado.
¿Cuál es la diferencia entre el moldeo por inyección de metal y la pulvimetalurgia?
Diferencias en las materias primas
La pulvimetalurgia consiste en la creación de piezas metálicas mediante la solidificación de polvos metálicos finos mediante calor controlado y prensado (sin fusión). El moldeo por inyección de metal implica primero mezclar polvos metálicos y aglutinantes termoplásticos. Esta materia prima mezclada se funde e inyecta en un molde preformado.
Proceso de modelado
En la pulvimetalurgia, el polvo metálico fino se introduce en una matriz y se prensa hasta obtener la forma deseada mediante prensas hidráulicas o mecánicas. Posteriormente, la pieza formada se somete a sinterización, donde las partículas forman enlaces metalúrgicos mediante difusión en estado sólido.
En el moldeo por inyección de metal, se utilizan aglutinantes, que suelen ser ceras y polímeros de combustión rápida, para mantener unidos los polvos metálicos antes de la inyección y el moldeo. Tras la inyección y el moldeo, los aglutinantes se eliminan mediante calor.
Comparación de capacidad geométrica
Como se mencionó anteriormente, la pulvimetalurgia requiere prensado uniaxial para moldear el polvo metálico en la cavidad de la matriz. Sin embargo, este proceso limita la libertad de diseño y las posibilidades geométricas de la pieza final.
Por lo tanto, PM solo puede trabajar con diseños simples que a menudo excluyen:
- Socavaciones
- Cavidades y canales internos
- paredes delgadas
Roscas y fijaciones integradas
Dado que el moldeo por inyección de metal implica presionar mezclas de material fundido en la cavidad del molde, se pueden diseñar piezas con perfiles geométricos complejos. Esto significa que las piezas requieren menos tiempo de ensamblaje y posprocesamiento.
Fabricación de piezas compactas
La demanda de piezas en miniatura es alta en las industrias de dispositivos médicos y electrónica de consumo. A diferencia de la pulvimetalurgia, que utiliza partículas de gran tamaño para lograr resistencia estructural, las partículas de polvo MIM pueden ser tan pequeñas como 5-10 micras. Esto permite que MIM produzca piezas diminutas y ligeras con un excelente rendimiento en estas aplicaciones.
Densidad y propiedades mecánicas
Las piezas MIM tienen mayor resistencia a la tracción y límite elástico que las piezas PM. La Asociación Europea de Metalurgia de Polvos descubrió que las piezas moldeadas por inyección de metal pueden alcanzar altas densidades del 95 % después de la sinterización.
En comparación, los procesos de pulvimetalurgia solo alcanzan densidades de hasta el 94 %. La alta densidad de MIM produce piezas más resistentes y resistentes a la fatiga. En la fabricación médica, esta cualificación es ventajosa para implantes y componentes de dispositivos.
La alta densidad de las piezas fabricadas mediante moldeo por inyección de metales (MIM) también las hace menos propensas a la corrosión. Investigaciones en ciencia e ingeniería de materiales demuestran que, efectivamente, la baja probabilidad de porosidad en el MIM mejora la resistencia a la corrosión de las piezas.
En aplicaciones marinas, esta propiedad es muy necesaria. Empresas como General Dynamics y BAE Systems priorizan la resistencia a la corrosión, la resistencia a la tracción y la dureza al adquirir piezas, de acuerdo con las normas ASTM.
Economía de herramientas y producción
En un principio, el moldeo por inyección (PM) parece ser la opción más económica para la producción de piezas metálicas de alta calidad. Las herramientas de moldeo por inyección de metal también son más costosas al principio. Sin embargo, con el tiempo, al aumentar el volumen de producción, los costos de MIM por pieza disminuyen significativamente. Esto la convierte en una opción rentable para la producción de piezas metálicas de gran volumen.
Los costos de las herramientas de PM son más bajos y resultan ideales para la producción a pequeña escala. Aun así, se encontrará con las limitaciones de diseño que mencionamos anteriormente, lo cual puede ser problemático en industrias que valoran o exigen la innovación.
Antes de tomar la decisión, también debe considerar la escalabilidad. Entre los dos, PM y MIM, el único enfoque que le permite escalar más rápido, aprovechando la precisión y la repetibilidad sin inflar los costos es, como ya habrá adivinado, el moldeo por inyección de metal.
Idoneidad de la aplicación
La pulvimetalurgia hace maravillas con piezas estructurales simples, entre ellas:
- Engranajes
- Rodamientos
- Partes del motor
El moldeo por inyección de metal es un método de producción de piezas metálicas de alta precisión preferido en:
- Industrias altamente reguladas
- Fabricación de sensores y actuadores automotrices
- ISO13485 Dispositivos médicos: instrumentos quirúrgicos, implantes dentales
- Piezas de teléfonos móviles, cámaras y relojes.
- Fabricación de piezas de defensa y aeroespacial AS9100
¿Cómo funciona el proceso de moldeo por inyección de metal paso a paso?
El moldeo por inyección de metal (MIM) combina el moldeo por inyección de termoplásticos y las técnicas de pulvimetalurgia. Consiste en más pasos que el moldeo por inyección de plástico estándar.
Preparación de materia prima
Esta es la etapa de preparación del material e implica la mezcla de polvo metálico fino con resinas aglutinantes termoplásticas. El aglutinante mejora la fluidez y la inyectabilidad de los materiales metálicos. Una proporción precisa de aproximadamente 60 (metal) por 40 (aglutinante) permite obtener piezas de calidad superior después del moldeo.
Pero la mezcla real se realiza con mezcladoras de cizallamiento y extrusoras de doble tornillo. El objetivo es lograr una mezcla ultrafina para que las piezas no presenten gradientes de densidad. Finalmente, los materiales se calientan y se convierten en materia prima fluida.
Etapa de moldeo por inyección
La materia prima se inyecta en un molde de acero a alta temperatura y presión. La alta presión garantiza que el material fundido llene completamente la cavidad, logrando así una alta precisión geométrica en la pieza terminada.
La pieza moldeada, también llamada pieza verde, tiene una precisión dimensional, pero presenta una resistencia mecánica débil. El aglutinante es lo que mantiene todo unido. A diferencia del moldeo por inyección estándar, los ingenieros de MIM siempre deben prever la contracción y la pérdida de tolerancia en las etapas posteriores de la producción.
Proceso de desaglomeración
El desaglomerado consiste en retirar el aglutinante termoplástico de la pieza verde como preparación para la sinterización. Esto se puede realizar con:
- disolventes
- PROCESADOR
- Catalizadores de gas
El proceso de desaglomerado debe realizarse con cuidado para evitar grietas. Tras la eliminación de los termoplásticos, el resultado se conoce como una pieza marrón. Se trata esencialmente de una pieza metálica moldeada, porosa y sin aglomerante, lista para la sinterización.
Etapa de sinterización
La sinterización implica calentar la parte marrón cerca del punto de fusión del material con el único fin de fortalecer la fusión y la unión de las partículas. Durante el proceso, las partes marrones se encogen debido al cierre de los poros durante la difusión en estado sólido.
El proceso de sinterización añade un valor único al moldeo por inyección de metal. Mediante la sinterización, los fabricantes pueden producir piezas robustas con alta capacidad de carga. Esto se debe a que, en el proceso de calor, las partículas individuales pierden su individualidad y forman una estructura granular única. Esta fusión crea enlaces metalúrgicos más fuertes, lo que confiere a las piezas sinterizadas dureza y resistencia a la fatiga.
Las operaciones secundarias
Dependiendo de las aplicaciones, a veces las piezas deben someterse a un acabado secundario antes del ensamblaje o envío. Estas operaciones secundarias suelen ser mínimas en comparación con otros procesos de fabricación de metales. Las piezas bien diseñadas no suelen requerir posprocesamiento. Las operaciones de acabado MIM suelen implicar:
- Tratamiento térmico para mejorar la resistencia al desgaste
- Tratamientos de superficie para una estética mejorada
- Maquinado
¿Cuáles son las ventajas y desventajas del moldeo por inyección de metal?
El potencial de ganancias del moldeo por inyección de metal es ilimitado, pero también hay muchos inconvenientes a tener en cuenta al elegir este método de fabricación.
Ventajas
- MIM crea piezas con formas y dimensiones complejas
- Se pueden moldear varias piezas juntas para formar una sola.
- Las piezas MIM tienen propiedades mecánicas casi forjadas debido a la fuerte unión durante la sinterización.
- El desperdicio de material es bastante mínimo.
- Los costos de producción son más bajos porque los gastos de herramientas se amortizan en producciones de gran volumen.
Desventajas
- Siempre existe un riesgo de distorsión durante la sinterización cuando se trabaja con piezas grandes o gruesas.
- Los plazos de entrega de las herramientas son significativamente más largos que los del mecanizado, lo que las hace inadecuadas para la creación de prototipos.
- Los materiales de bajo punto de fusión no se sinterizan bien
- Pequeñas variaciones en los parámetros del proceso provocan grandes defectos
¿Cuáles son algunos ejemplos comunes de productos de moldeo por inyección de metal?
Las industrias que requieren la producción a gran escala de piezas de alta precisión son los principales clientes del moldeo por inyección de metal. Algunas de ellas son:
Dispositivos médicos
Las piezas MIM reciben continuamente un trato preferencial por parte de los fabricantes médicos. Esto se debe a las propiedades de resistencia y resistencia a la corrosión que permite el MIM, además de su biocompatibilidad. Algunos ejemplos de piezas MIM en el sector médico incluyen:
- Tijeras quirúrgicas
- Componentes de la cabeza de la pinza
- Portaagujas y puntas de pinzas de biopsia
- Piezas de pinza y mandíbula del instrumento laparoscópico
- Brackets ortopédicos y dispositivos de fijación
Armas de fuego y piezas de defensa
Tras el perfeccionamiento del proceso de moldeo por inyección de metal por parte de Raymond, los fabricantes de armas de fuego fueron los primeros clientes. El MIM permitió fabricar piezas de pistolas y armas de fuego más resistentes, geométricamente precisas y consistentes. Ejemplos de piezas MIM en armas de fuego son los seguros, los martillos y los gatillos.
En operaciones de defensa, los productos deben resistir aceleraciones rápidas, vibraciones y estrés térmico. Las piezas mecánicas deben tener tolerancias más estrictas y ser dimensionalmente precisas, incluso en productos compactos. MIM permite producir piezas que cumplen estos requisitos en sistemas de misiles y municiones, aeronaves militares y vehículos aéreos no tripulados (UAV).
- Componentes del dispositivo de seguridad y armado
- Carcasas de actuadores
- Sistema de guiado de portadores mecánicos
- Carcasas de conectores eléctricos
- Soportes de sensores
- Soportes del sistema de refrigeración
Electrónica de Consumo:
El moldeo por inyección de metales se utiliza habitualmente para fabricar componentes electrónicos como conectores, bisagras y soportes. Estas piezas pueden fabricarse con paredes delgadas sin sacrificar su precisión dimensional.
De igual manera, el MIM es fundamental en la producción de bandejas para tarjetas SIM, pasadores de bisagra y soportes para módulos de cámara en smartphones. Estas piezas se fabrican con acabados superficiales de alta calidad.
Para la industria de los relojes inteligentes, la producción en masa consistente de ejes de botones, elementos de bisagra y soportes para sensores ópticos no sería posible sin MIM. Este proceso de fabricación es altamente preferido debido a su capacidad para producir piezas que:
- Durable
- Consistente
- Contacto seguro con la piel
- Compacto y altamente funcional
Componentes automotrices
Los fabricantes de automóviles confían en socios MIM de confianza para el suministro constante de sensores y actuadores de alto rendimiento. Para garantizar la fiabilidad y la operación segura de los vehículos, estas piezas esenciales deben cumplir con altas expectativas de precisión y resistencia.
Para alcanzar y superar estas expectativas, los moldeadores por inyección de metal generalmente eligen aleaciones de alta temperatura y, afortunadamente, MIM permite lograr las geometrías funcionales complejas necesarias para su máximo rendimiento.
Piezas industriales y aeroespaciales
Los fabricantes de equipos industriales y aeroespaciales confían en el moldeo por inyección de metales para fabricar piezas de alta precisión, entre las que se incluyen:
- Elementos de accionamiento armónico
- Bloqueo de levas y abolladuras
- Carcasas de codificador
- Mecanismos de reclinación del asiento
- Carcasas de control de flujo
- Engranajes de la caja de cambios
- Pestillos del compartimento superior
¿Para qué se utiliza el moldeo por inyección de metal?
A continuación se presentan los casos más comunes en los que el moldeo por inyección de metal tiene más sentido que todos los enfoques de fabricación alternativos.
Miniaturización
Los sistemas inteligentes, desde dispositivos portátiles en electrónica de consumo hasta aplicaciones industriales y de defensa, ahora necesitan ser más pequeños y ligeros. Los diseños compactos optimizan su facilidad de uso, rendimiento y eficiencia energética. MIM produce micropiezas robustas mediante una variante especializada del proceso denominada micromoldeo por inyección de metal.
Ingeniería de precisión
MIM puede producir piezas con tolerancias estrictas, alta densidad y alta resistencia mecánica. El rendimiento y el ajuste se optimizan mediante ajustes de diseño estratégicos. Las piezas se comportan de forma predecible en aplicaciones estructurales gracias a la unión precisa durante la sinterización.
Fabricación escalable
El moldeo por inyección de metal permite aumentar el volumen de producción de piezas metálicas sin inconsistencias de calidad. Se obtiene la velocidad y la flexibilidad de diseño del moldeo por inyección de plástico, así como la resistencia y el rendimiento de los procesos de fabricación metalúrgica. Una vez finalizado el mecanizado, el resto del proceso es repetible, rápido y rentable.
Fabricación conforme
En industrias altamente reguladas, las piezas a menudo necesitan tener tolerancias estrictas y propiedades de material que mejoren la repetibilidad y la validación del proceso.
Las piezas MIM requieren un posprocesamiento mínimo, lo que reduce el riesgo de inconsistencias durante las auditorías de cumplimiento. La fabricación se realiza conforme a las normas ISO, FDA, FAA e IASTM.
En qué se diferencia el moldeo por inyección de metal de otras tecnologías de fabricación
Consulte la siguiente tabla comparativa para comprender dónde y cómo MIM se diferencia de otras tecnologías de fabricación.
| Comparación | Moldeo por inyección de metal (MIM) | Metalurgia de polvos (PM) | Fundición (Matrices/Inversión) | Mecanizado CNC | Fabricación aditiva (impresión 3D de metal) | Estampado/conformado de metales |
| Escalabilidad organizacional | Alto | Muy Alta | Medio-alto | Bajo-medio | Bajo | Muy Alta |
| Complejidad de la Pieza: | Excelente (socavaduras, paredes delgadas) | Limitada | Moderado | Alto pero costoso | Excelente | Bajo |
| Densidad (% de forjado) | 95-99% | 85-94% | 90-98% | 100% | 95-99% | 100% |
| Propiedades mecánicas | Casi forjado, isotrópico | Direccional, menor fatiga | Variable, defectos de grano | Forjado | Direccional, afectado por el calor | Forjado |
| Acabado de la superficie | Muy bueno | Suficientemente bueno | Regular–Bueno | Excelente | Pobre-Regular | Excelente |
| Tolerancia Dimensional | Estrecho (±0.3 % típico) | Moderado | Suelto-Moderado | Muy apretado | Moderado | Apretado |
| Costos de herramientas (inicial) | Alto | Media | Medio-alto | Bajo | Ninguna | Alto |
| Residuos de material | Muy bajo | Bajo | Media | Alto | Media | Muy bajo |
| Tamaño típico de la pieza | Pequeño (<100 g) | Pequeño–Mediano | Mediano-Grande | Año | Pequeño–Mediano | Piezas de chapa fina |
| Plazo de entrega a producción | Medio-Largo | Media | Media | Short | Short | Media |
Moldeo por inyección de metal vs. pulvimetalurgia
Si su proyecto implica diseños sencillos y piezas de gran tamaño, opte por la pulvimetalurgia. Sin embargo, debido a su porosidad, las piezas de metalurgia por pulverización tienen aplicaciones muy limitadas. Si desea producir en masa piezas complejas sin las limitaciones mecánicas anisotrópicas típicas de la metalurgia por pulverización, opte por el moldeo por inyección de metal.
Moldeo por inyección de metal vs. fundición
La fundición es fiable para producir piezas grandes y gruesas con tolerancias más flexibles. Se esperan menores costos de herramientas y la libertad de trabajar con una amplia gama de materiales. Sin embargo, cuando las aplicaciones requieren tolerancias más estrictas y características finas, conviene optar por el moldeo por inyección de metal. Se pueden lograr paredes delgadas y estructuras de grano robustas con características internas estables.
Moldeo por inyección de metal vs. mecanizado
Si la velocidad es un factor crucial para la producción en serie y la creación de prototipos, elija el mecanizado . Si bien la flexibilidad de diseño en el mecanizado es considerable, solo resulta eficaz para piezas grandes con geometrías sencillas. Aunque los plazos de entrega son más largos con MIM, el costo por pieza es extremadamente bajo en producciones de alto volumen.
Moldeo por inyección de metal vs. fabricación aditiva
La principal ventaja de la fabricación aditiva sobre el moldeo por inyección de metal (MIM) reside en la libertad de diseño, ya que permite crear piezas con características internas desde el principio. Elija la fabricación aditiva si busca mayor personalización y si no puede permitirse los elevados costes de utillaje. Sin embargo, el moldeo por inyección de metal ofrece mayor consistencia en producciones de gran volumen.
Moldeo por inyección de metal vs. Estampado de metal
El estampado de metal es muy económico para la producción en masa de piezas con perfiles geométricos más sencillos. Además, la pieza terminada se obtiene mucho más rápido que con MIM. Sin embargo, para obtener los mejores resultados con piezas pequeñas y complejas, se necesita MM. Se obtienen piezas de alta densidad y alta resistencia, con una tasa de defectos prácticamente nula.
¿Cuánto cuesta el moldeo por inyección de metal?
Las herramientas son el factor de mayor costo en el moldeo por inyección de metal. Sin embargo, el costo final dependerá en gran medida del tipo de materiales elegidos y del volumen de producción.
Costos de herramientas
Los moldes de acero endurecido son los más utilizados y pueden costar desde unos pocos miles de dólares hasta cientos de miles. Los moldes complejos son más caros que los sencillos, pero los costos totales de herramientas se amortizan con creces en miles y millones de unidades, prácticamente a cero.
Los costos de materiales
Se espera pagar alrededor de $100 por libra de polvos metálicos refinados. Los polvos de acero inoxidable son más caros que los de carbono. Además, se necesitan materiales aglutinantes, que suelen costar entre $10 y $12 por libra.
Costos de procesamiento y mano de obra
Los procesos de moldeo por inyección de metal pueden automatizarse por completo, lo que ayuda a reducir los costos de mano de obra. Los principales factores de costo en la planta de producción son el consumo de energía y la monitorización de los equipos. Las tiradas largas de más de 100 000 piezas suelen tener costos de procesamiento y mano de obra más bajos, de entre 1 y 3 dólares por pieza. En tiradas cortas, estos costos pueden llegar a los 5 dólares por pieza.
Costo de operaciones secundarias
Las operaciones secundarias, como el tratamiento térmico, el recubrimiento y el mecanizado, aumentan los costos totales. El costo del posprocesamiento oscila entre $50 y $5 por pieza. Estos costos pueden eliminarse optimizando los diseños antes de iniciar la producción.
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Directrices de diseño y limitaciones para el moldeo por inyección de metal
Espesor y uniformidad de la pared
Mantenga un espesor de pared uniforme para obtener resultados consistentes en la producción. Cuando el diseño tiene espesores de pared variables, el producto final puede encogerse o deformarse. Al estandarizar todo, se reducen los tiempos de ciclo, aumenta la calidad de la producción y se reduce el riesgo de defectos.
Tolerancias y control de contracción
Aunque la contracción es parte de la naturaleza del MIM, se puede compensar con ajustes estratégicos del utillaje. En promedio, la pieza marrón se contrae entre un 10 % y un 20 % durante la sinterización, por lo que la cavidad del molde debe ser entre un 10 % y un 20 % más grande que la pieza final. Las tolerancias deben ser de hasta ±0.3 % para minimizar la necesidad de operaciones posteriores a la sinterización.
Diseño de características y complejidad
Puede diseñar formas 3D complejas con socavados, roscas y orificios transversales. Estos ajustes de diseño eliminan la necesidad de operaciones de ensamblaje y posprocesamiento, y sus costos pueden amortizarse con la amortización de herramientas. Evite las esquinas afiladas, pero puede usar filetes para una mayor resistencia y relleno de cavidades.
Restricciones de selección de materiales
Las aleaciones de alto rendimiento más preferidas para el moldeo por inyección de metal incluyen acero, cobre y aluminio. Al elegir materiales para la inyección de metal, considere el rendimiento y las propiedades mecánicas deseados de la pieza. Para resistencia a la corrosión y resistencia, el acero es el material más recomendado.
Conclusión
El moldeo por inyección de metal es una tecnología de fabricación altamente efectiva con aplicaciones multisectoriales. El éxito de este método de producción depende del diseño, la selección de materiales y un riguroso control del proceso. En industrias donde la precisión y la miniaturización son fundamentales, el MIM resulta extremadamente valioso.
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Preguntas Frecuentes
En la producción a gran escala, el MIM puede eliminar la mayor parte del mecanizado, pero rara vez lo reemplaza por completo. Características críticas como tolerancias ultraestrechas, superficies de apoyo o interfaces de acoplamiento pueden requerir un mecanizado secundario ligero.
La MIM suele resultar rentable cuando los volúmenes anuales superan varias decenas de miles de piezas. Por debajo de ese umbral, la amortización de las herramientas puede superar las ventajas en comparación con el mecanizado o la fabricación aditiva.
Desde el diseño final hasta las piezas listas para producción, los plazos suelen oscilar entre 8 y 16 semanas. Esto incluye la fabricación de herramientas, el ajuste de la materia prima, las pruebas de funcionamiento y la validación del proceso.
Sí, las piezas MIM se pueden soldar, soldar con soldadura fuerte o fijar mecánicamente, pero se debe tener en cuenta la alta densidad y la composición de la aleación.
Sí, cuando se diseñan y validan adecuadamente, las piezas MIM se utilizan ampliamente en aplicaciones críticas para la seguridad, como instrumentos médicos, sistemas automotrices y mecanismos aeroespaciales, debido a su alta densidad y resistencia isotrópica.
El polvo metálico reciclado rara vez se utiliza en aplicaciones críticas de MIM debido a la dificultad para controlar el tamaño de partícula, la composición química y la consistencia del flujo. Se prefieren los polvos vírgenes por su calidad y rendimiento predecibles.
