Artículos

419REVISTA DE PLÁSTICOS MODERNOS Vol. 101 Número 658 Junio 2011

RESUMEN

El auge de las micro-tecnologías y sus aplicaciones en diversos campos como los MEMS, micro-mecanismos, micro-fluídica, biomedicina (dosificación de medi-camentos, implantes, cirugía mínimo-invasiva, etc) y otros más, empuja las tecnologías de fabricación a resolver la ecuación “micro-tamaño vs. productividad y repetitividad.” Una de las tecnologías de fabricación que más expectativas ha creado y que esta satisfacien-do gran parte de estas necesidades es la micro-inyec-ción de polímeros termoplásticos.

En este artículo se van a analizar las posibilidades, los condicionantes y requisitos que la micro-inyección ofrece e impone, desde el punto de vista de la pro-ducción e industrial, para conseguir producir con éxito micro-componentes de precisión basados en políme-ros termoplásticos. No se pretende profundizar en cada uno de los puntos o tecnologías necesarias sino dar una visión global que permita reflexionar sobre el conjunto de implicaciones del proceso de micro-inyec-ción.

PALABRAS CLAVE: micro-inyección, micro-moldes, fabricación.

ABSTRACT

The growth of micro-technologies and their applica-tions in various areas such as MEMS, micro-mecha-

nisms, micro-fluidics, biomedical (drug dosage, im-plants, non-invasive surgery, etc.) and others, pushing manufacturing technologies to resolve the equation “micro-size versus productivity and repeatability”. One of the manufacturing technologies which has created more expectations and which is fulfilling many of these requirements is the micro-injection of thermoplastic polymers.

In this article will be analyzed the possibilities, cons-traints and requirements that the microinjection offers and imposes, from the point of view of industrial pro-duction and to ensure successfully produce of preci-sion micro-components based on thermoplastic po-lymers. It is not intended to deepen individual items or technologies needed but to give an overview that allows reflection on the overall implications of micro-injection process.

KEYWORDS: micro-injection, micro-molds, manufacturing.

La terminología micro-inyección es usada cada vez más de forma vulgar o coloquial, como todo lo “mi-cro”, para referirse intuitivamente a componentes o productos de “pequeño tamaño” con respecto a lo ha-bitual o hasta el momento conocido en cada uno de los sectores de aplicación. Sin embargo esta aproximación no es técnicamente correcta ni refleja las oportunida-des o retos que la “verdadera” microinyección puede ofrecer y exigir.

En este punto hay que puntualizar que el autor no ha conseguido todavía encontrar una completa homoge-neidad en las diferentes versiones de las definiciones dadas por expertos en publicaciones, bibliografía o eventos relacionados con la micro-inyección. Esto se debe a que cada uno define el aspecto micro en base a parámetros físicos diferentes, ya sean el peso, el tama-ño, ratios de forma, etc.

Autor: Miguel Ángel Ramos *

* Gerente y Responsable de I+D+i de OSCATECH MICRO-INYECCIÓN S.L.OSCATech microinyeccion Crta. Zaragoza Km 67CEEI Aragón Nave 322197 HuescaTel.: +34 974 21 56 94e-mail: ma.ramos@oscatech.comweb: www.oscatech.com

La micro-inyección, mucho más que piezas de plástico muy pequeñas

Definición de micro-inyección

ArtículosArtículos

Sin embargo, sí se puede hacer una aproximación o definición no académica englobando varias de ellas y teniendo en cuenta un mix de los parámetros físicos anteriormente mencionados. Así, la micro-inyección de polímeros termoplásticos la podríamos definir como el proceso productivo basado en la termofu-sión e inyección a presión de un termoplástico en una micro-cavidad de un molde, entendiendo como micro-cavidad aquella en que el peso de la pieza resultante sea inferior a 0,1 gramos, moviéndose habitualmente en el orden de la centésima o milésima de gramo, que y/o tiene un tamaño del orden de pocos milímetros (usualmente menos de 3-4 mm) y que y/o su factor de forma es del orden de 1/50 (es decir el nivel de detalle profundidad/anchura o altura es muy pronunciado).

Como habrá observado el lector se ha utilizado en to-dos los casos el y/o en su sentido no exclusivo, es decir puede que se cumplan todos los requisitos o solo dos de ellos aunque de forma muy extrema o exigente. Es aquí, que a veces, se produce el debate entre que se considera o no micro-inyección. En el fondo, el debate está el hecho de si el comportamiento de los materia-les, moldes y maquinaria frente a geometrías “peque-ñas” deja de ser o no el habitual en la inyección “tra-dicional”. En este sentido es importante resaltar que la repercusión del tipo de termoplástico puede ser muy importante y determinante en la dificultad del proceso productivo de la micro-inyección.

Para situar en el tiempo y el espacio la micro-inyección conviene saber que las primeras producciones a gran escala de micro-componentes plásticos se iniciaron en torno al final de los años 80. Como suele ser habitual en el mundo industrial los pioneros fueron los japone-ses en Asia, los EE.UU, y los alemanes y suizos en Euro-pa. En España podemos decir que hasta finales de los años noventa no se empieza a trabajar con seriedad en este campo ni a nivel de centros tecnológicos ni a nivel industrial.

Dejando a un lado las definiciones, nos vamos a aden-trar brevemente en las peculiaridades y dificultadas que presenta de forma general el proceso. Desde el punto de vista físico hay que tener en cuenta que du-rante la micro-inyección se está forzando al polímero a unas condiciones reológicas extremas, dado que se in-troduce en un volumen muy pequeño y en general con formas complejas, con un ratio de superficie versus vo-lumen muy alto, lo que hace que los procesos termo-dinámicos de calentamiento y enfriamiento sean muy bruscos y bajo unas condiciones de presión y cizalla extremas. Todo esto hace que el comportamiento del material no sea el habitual, y por tanto, las condiciones

que deben cumplir el micro-molde y los parámetros del proceso deben adaptarse a estas circunstancias físicas. Por último y no menos importante, aunque desde el punto de vista académico pueda no ser de gran inte-rés, se sitúan los procesos de manipulación, control de los micro-componentes, mantenimiento de moldes y condiciones ambientales del entorno industrial.

Todo este conjunto de factores internos y externos son de vital importancia para el resultado final de un pro-ceso como la micro-inyección que, resumidamente, es una inyección llevada al extremo, y que hace que las “reglas” habituales no funcionen y los comportamien-tos reológicos de los materiales, mecánicos de los mol-des, de reproductibilidad de las máquinas y control del producto y el entorno tengan que hacerse con otra vi-sión, a otra escala y olvidando la expresión “este factor es despreciable”. En la micro-inyección no hay efectos despreciables en el sentido clásico, ni son evidentes de medir durante el proceso industrial, aunque si es muy fácil el sufrir las consecuencias de que alguno de ellos no haya sido controlado o ajustado adecuadamente.

Los efectos de la elección de los polímeros en la micro-inyección vienen por dos aspectos bien diferenciados:

1. Características de la pieza: este punto estaría li-gado al proceso de diseño, en el que hay que ser muy consciente que, debido a los tamaños extre-madamente pequeños las propiedades mecáni-cas, térmicas y hasta químicas (ataques superficia-les) difícilmente van a poder ser compensadas por cambios en la geometría, y por tanto la elección de materiales claramente sobredimensionados en sus propiedades deberán tenerse en cuenta aún a un coste mayor del material y una mayor comple-jidad del molde.

2. Comportamiento en el procesado: dada la gran variedad de materiales y proveedores de los mis-mos puede pensarse que seguro que con facilidad se encontrará un material que cumpla con las ca-racterísticas de la pieza, aun teniendo en cuenta los aspectos comentados en el punto anterior. Sin embargo, la realidad hace ver que ciertos materia-les no plastifican adecuadamente en las maquinas de micro-inyección (lo que puede provocar o un proceso irregular y/o piezas no conformes). Otro punto relacionado con el material y la reología son los aditivos y sus efectos sobre el micro-molde (deposición excesiva de residuos, ataque químico, etc), la dificultad para su llenado y/o la expulsión.

La utilización de materiales fuertemente cargados es

420REVISTA DE PLÁSTICOS MODERNOS Vol. 101 Número 658 Junio 2011

Proceso de micro-inyección

Materiales

Artículos

421REVISTA DE PLÁSTICOS MODERNOS Vol. 101 Número 658 Junio 2011

especialmente delicada, dado que en algunos casos partes de la pieza pueden ser dimensiones del mismo orden que las cargas a inyectar, lo que puede resultar en piezas incompletas u otro tipo de defectos. En este sentido la constante evolución hacia los materiales na-no-reforzados puede ir abriendo el abanico de mate-riales potencialmente válidos para la micro-inyección.

Parte principal y más crítica del conjunto del proceso de micro-inyección es tanto el diseño como la cons-trucción del molde. En ella hay que tener en cuenta que en general se buscan tolerancias mucho más pe-queñas que en la inyección de precisión “clásica”.

Puntos a tener en cuenta son el diseño de canales y puntos de inyección, el uso o no de canales calientes y boquillas, que dados los bajos pesos a inyectar deben ser utilizados con mucha precaución y con diseños es-pecíficos para micro-inyección.

Desde el punto de vista reológico y de contracción hay que olvidar las fichas técnicas estándar proporciona-das por los fabricantes, ya que dejan de cumplirse en la práctica en un alto porcentaje, aquí la experiencia juego un papel crucial.

La selección de aceros es todavía aun más crítica dado que pequeños postizos o cavidades con muy bajos es-pesores de aceros deben resistir muy altas presiones. Adicionalmente complica dicha selección el polímero a inyectar y sobre todo la calidad superficial a obte-ner en la pieza final. Sobre este punto volveremos más adelante al comentar las diferentes técnicas para el mecanizado del micro-molde. En cuanto a los aceros no hay que olvidar, sobre todo en el caso de material de altas prestaciones con temperaturas de trabajo extremadamente altas, que las dilataciones pueden afectar de forma importante a las tolerancias finales obtenidas en la micro-pieza.

Un punto que suele obviarse al diseñar y construir el molde, y al concebir el proceso productivo, es el de la expulsión de la pieza. En muchos casos la pieza es tan pequeña que cualquier expulsor en el sentido tradi-cional es imposible de ser introducido en la cavidad. Aquí debe jugarse con las particiones de molde, zonas naturales de agarre de la pieza, sistemas auxiliares de extracción, etc.

Desde el punto de vista de mecanizado de la cavidad del micro-molde también se dan limitaciones que ha-cen necesaria la aplicación de nuevas técnicas como la micro-electroerosión de penetración, mecanizado por micro-erosión, LIGA-UV, ablación laser, o micro-

mecanizado por micro-herramienta. Desde el punto de vista económico una vez más el pequeño tamaño juega en contra del coste y los tiempos de mecanizado no deben compararse con los habituales. Un punto crí-tico en la selección de la tecnología de mecanizado de este tipo de molde es el balance entre precisión y ca-lidad superficial. Ciertas técnicas permiten obtener al-tísimas precisiones pero sus calidades superficiales no son suficientes y a la inversa con otras. El aspecto de la calidad superficial no solo puede ser un requisito de la pieza final en su aplicación, sino jugar un importante papel en la reología de llenado de micro-cavidad o en la expulsión de la pieza. En ciertos casos hasta puede dificultar o facilitar el proceso de control, que como se verá a continuación, en la mayoría de los casos se produce de forma óptica.

Hemos hablado anteriormente de la complejidad y detalle necesarios en el proceso de construcción de micro-moldes, así como de lo delicados de los posti-zos, movimientos y sistemas implicados en cada una de las partes del molde.

Esto punto también toma una gran importancia cuan-do durante su uso industrial es necesario el realizar el mantenimiento del molde, ya sea por engrases, susti-tución de piezas o limpieza. Por su puesto la criticidad de las operaciones de mantenimiento irán muy liga-das a la presencia de movimientos, uso de cámaras y boquillas calientes, sistemas de evacuación de gases y

Mantenimiento

Micro-moldes

Figura 1: comparación del punzón de un molde para aplicación micro-fluidica con el ojal de una aguja.

Artículos

422REVISTA DE PLÁSTICOS MODERNOS Vol. 101 Número 658 Junio 2011

sobre todo a las condiciones de inyección que los ma-teriales utilizados impongan. No será lo mismo el in-yectar un micro-molde con materiales “commodities” como el PE, PP o técnicos como el POM, frente a ma-teriales de altas prestaciones como PPS, LCP, PEEK, etc, que hacen que los molde deban sufrir temperaturas entre los 150 y los 200 °C, y presiones muy elevadas.La utilización de desmoldeantes, grasas, aceites y otro tipo de aditivos en el proceso puede hacer modificar las condiciones de la superficie de la cavidad de forma sustancial en una micro-pieza, frente a una cavidad de tamaño habitual en la que su efecto es despreciable.

La manipulación puramente física de los micro-moldes hace necesaria una formación específica del personal teniendo en cuenta un detallado estudio de riesgos para el molde. Un entorno adecuado en términos de orden y limpieza se hace imprescindible ya que la su-ciedad habitual en un taller normal de molde puede ser extremadamente peligrosa para ciertos elementos de un micro-molde. Los procesos de limpieza de los micro-moldes son especialmente críticos, ya que los métodos tradicionales mecánicos por abrasión pue-den directamente provocar daños irreparables en las micro-cavidades, o aun peor, daños no visibles que lue-go repercutirán en un mal funcionamiento del molde o en defectos, sin saber explicar a pie de máquina que está sucediendo. Otras técnicas no agresivas, evitan-do el contacto mecánico y utilizando agentes químicos adecuados y no dañinos sea hacen imprescindibles, te-niendo muy en cuenta que no siempre las mismas téc-nicas funcionarán para todos los micro-moldes y mate-riales inyectados. Por lo que la experiencia y correcta asesoría (con el moldista, el proveedor de tecnologías de limpieza y de materiales de engrase y limpieza, etc), caso por caso, es necesaria para un correcto manteni-miento de los molde.

En el campo de la maquinaria de inyección dedicada a la micro-inyección se puede decir que en este mo-mento hay dos planteamientos que hasta ahora han convivido en el mercado, que son:

1. Máquina de inyección convencional, es decir un mismo husillo ejerce la función de plastificación (rotación) y el mismo husillo posteriormente por traslación la de inyección. Estas máquinas están oportunamente dimensionadas en términos de dosificación, velocidad y presión de inyección, uni-dos a una mayor precisión en los movimientos im-plicados, ya sea mediante accionamientos hidráu-licos, servomotores o la combinación de ambos.

2. Maquina de inyección en la que la dosificación es realizada por un husillo de extrusión y la inyec-ción por un pistón. Ambas etapas son realizadas por accionamientos y elementos independientes. Pasando el material plastificado por el husillo al pistón e inyectando este último el material en el molde. El paso del material de la cámara de do-sificación a la de inyección ha ido evolucionando pero, básicamente, el principio es el mismo.

Recientemente ha surgido una variante del segundo caso, en la que tanto plastificación como la inyección las realizan husillos, pero hay uno de diámetro “nor-mal” que plastifica y una de muy pequeño diámetro al que se le transfiere el material plastificado y lo que hace es terminar de dosificar e inyectar. Por último, se está presentando al mercado un nuevo concepto, en el que la fusión del material deja de hacerse básica-mente por cizalla y aporte de calor, como en todos los casos anteriores, y se produce mediante calentamien-to por ultrasonidos. Esta tecnología no está aún dispo-nible a nivel industrial y habrá que esperar a su salida al mercado para poder evaluar sus ventajas y limita-ciones con mayor precisión. En todas las tecnologías anteriores hay ventajas e inconvenientes debidas a la limitación en los materiales plásticos y su presentación (micro granulado o estándar), robustez de los meca-nismos, fiabilidad, precisión, etc. Como suele suceder cuando se trata de tecnologías al límite, nuevas y en constante evolución, las opiniones son diversas y final-mente cada aplicación y transformador debe plantear-se su caso concreto el mejor balance de características en base al producto a obtener.

A lo largo de este articulo directa o indirectamente se ha mencionado que cualquier variación térmica, quí-mica del material, de precisión del molde, limpieza del mismo y la precisión de la maquina pueden tener un efecto crítico sobre la micro-pieza resultante del pro-ceso. Muy frecuentemente se olvida que, al igual que cada uno de los factores anteriormente comentados varia intrínsecamente, pueden también variar debido a factores externos.

En este sentido la estabilidad térmica, la ausencia de contaminación del material debida a su manipulación, la limpieza del molde y de la máquina, evitando la in-troducción de polución que en algunos casos puede ser del orden del tamaño de la pieza a fabricar o lo su-ficientemente agresiva para dañar el molde durante el proceso de micro-inyección, etc, son parámetros que deben controlarse de forma exhaustiva.

Maquinaria

Entorno de trabajo y control

Artículos

423REVISTA DE PLÁSTICOS MODERNOS Vol. 101 Número 658 Junio 2011

Efectivamente, el control del entorno supone unos so-bre costes que no son evidentes para el cliente final, pero que de no ser tenidos en cuenta terminarán apa-reciendo en forma de no calidad, falta de durabilidad del molde y finalmente en un fracaso del producto. Por este motivo es vital ir cambiando la cultura de que la micro-inyección es un proceso barato, ya que gasta me-nos material y las maquinas de micro-inyección tienen unos costes energéticos menores y por tanto menor coste horario. En gran parte, el valor añadido de la mi-cro-inyección viene dado por los costes indirectos del entorno y las condiciones en las que se debe realizar.

Una vez obtenida la pieza micro-inyectada, aparece el siguiente reto, la verificación y control de la pieza, que como en otros procesos estándar deben plantearse bajo dos puntos de vista; uno, asegurar la calidad pro-piamente dicha de la pieza y, otro, relacionar alguna de las características controladas con la estabilidad del proceso.

Debido a pequeño tamaño de las piezas los métodos habituales de medida dimensional no puede ser aplica-dos, ya que o el instrumento de medida es tan grande que no puede aplicarse sobre la pieza, o al contactar la pieza, la misma sufre deformación o desplazamiento falseando las medidas. En la mayor parte de los casos se recurre a sistemas de medida sin contacto, ya sean ópticos, digitales, o escáner 3D como las tecnologías de tomografías aplicadas a la metrología.

Dadas las limitaciones con que se encuentran las pie-zas en estos procesos, es necesario aplicar un control 100%, ya sea para controlar el correcto desmoldeo de la pieza, su completo llenado, incluyendo hasta un con-trol dimensional “on-line”.

Como se ha visto lo largo de este artículo, la micro-inyección es mucho más que hacer piezas de plástico pequeñas, e implica una nueva forma de trabajar con respecto a la inyección “macro” o convencional.

Desde OscaTech se tiene claro el hecho de que la micro-inyección es una tecnología que pone al límite materiales, moldes y en general todas las tecnologías auxiliares necesarias, y que se hace imprescindible el contar con expertos, larga experiencia y medios espe-cíficos. Esta es la única vía por la que se puede obtener por micro-inyección un producto fiable, de calidad y evitar desagradables sorpresas al cliente.

OscaTech micro-inyección acumula una experiencia en complejos dispositivos médicos como implantes basa-

dos en polímeros biocompatibles como el PEEK, o en reabsorbibles tipo PLLD, PLG en los que además de la micro-inyección se añaden otros requisitos como la producción en sala blanca, y cumplimiento de norma-tivas como la ISO13485, sobre tecnologías médicas.

También en el campo de la micro-fluídica donde la precisión y las propiedades mecánicas son puestas al límite, OscaTech ha demostrado su “know-how” y su capacidad de cooperación con los clientes, permitién-doles introducir en el mercado con éxito innovadores productos basados en micro-componentes.

Experiencia y visión integral; requisitos para el éxito en la micro-inyección

Figura 2: aplicación micro-fluídica, imagen de la pieza

Bibliografia:

1. B. Kanegsberg, “Value-Added Critical Cleaning of Industrial Molds,” MoldMaking Technology Magazine, April, 2007.

2. Revista “Moldmaking Technology”.3. Revista “European Tool & Mould Making”.4. L. Staemmler, K. Hofmann and H. Kuck, “ECF-

An Innovative Technique for Micro-mold Fa-brication” Proceedings of $M2005, S.pp.375-377 Karlsruhe, Germany

5. W. Meeusen et al. “The machining of Free-form Micro Molds by micro EDM” Proc. MME, 2001.

www.revistaplasticosmodernos.es

BoletínDigitalRedesSociales Facebook Twitter

Difusión Científica Futuro Ciencia BoletínDigital Facebook Twitter RedesSociales BoletínDigital DifusiónCientífica

Facebook Twitter RedesSociales DifusiónCientífica RevistaPlásticosModernos Web2.0 Futuro Ciencia Polímeros Noticias

Facebook Twitter RedesSociales DifusiónCientífica Empresas Artículos RevistaPlásticosModernos

Web2.0 Futuro Ciencia BoletínDigital Facebook Twitter RedesSociales Difusión Científica

LA MEJOR FORMA DEDIFUNDIR LAS NOVEDADESDE SUS EMPRESAS OINSTITUCIONES

Revista Impresa

Página Web

Redes Sociales

Boletín Digital

Revista Impresa

Página Web

Redes Sociales

Boletín Digital