Trabalhei em design e fabricação de produtos por cerca de 11 anos, trabalhei muito com empresas de eletrônicos de consumo e alguns fornecedores automotivos, e a moldagem por injeção é apenas a forma padrão de fabricar peças plásticas em qualquer tipo de volume. Existem outros processos, como impressão 3D ou usinagem CNC de plástico, mas quando você precisa de mais de 500 a 1.000 unidades, a moldagem por injeção se torna a única coisa que faz sentido econômico para a maioria das aplicações.
Por que a moldagem por injeção assumiu tudo
O processo em si é bastante simples:-derreter pellets de plástico, injetar sob alta pressão em um molde, deixar esfriar e ejetar a peça. Repita. As máquinas modernas podem fazer esse ciclo em 15 a 30 segundos para peças pequenas, talvez 60 a 90 segundos para peças maiores. Observei uma máquina de moldagem por injeção Haitian Mars em uma fábrica em Shenzhen bombear caixas de smartphones a cerca de 40 segundos por ciclo, e isso era uma peça bastante complexa com vários recursos internos. O custo do ferramental estava em torno de US$ 12.000 (o gerente da fábrica me disse isso em 2018, os preços definitivamente subiram desde então).
O que o torna tão dominante é a combinação de velocidade, repetibilidade e opções de materiais. Depois que o molde é feito, cada peça custa centavos em material e tempo de máquina. Uma peça ABS de 50 gramas pode usar US$ 0,15 em material e, se o tempo de ciclo for de 30 segundos, serão 120 peças por hora. Mesmo levando em consideração os custos de tempo de máquina e mão de obra, você está calculando talvez US$ 0,30-0,50 por peça em uma produção de 10000+ unidades.
Compare isso com a usinagem CNC, onde você paga pelo desgaste da ferramenta, tempos de ciclo mais longos, desperdício de material e tempo de operador qualificado. Determinei o preço de um design de gabinete simples quando{1}}a moldagem por injeção chegou a US$ 0,82/peça por 5.000 unidades, incluindo ferramentas amortizadas. A usinagem CNC da mesma peça foi cotada a US$ 6,40/peça. Nem perto.
Dispositivos médicos ficaram estranhos com isso
As peças moldadas por injeção médica são um mundo totalmente diferente devido aos regulamentos da FDA e aos requisitos de esterilização. Os materiais precisam ser biocompatíveis, o que limita significativamente as suas opções. A maioria dos fabricantes de produtos médicos usa materiais como policarbonato, polipropileno ou tipos especializados de polietileno. O PEEK é popular para instrumentos cirúrgicos porque pode lidar com autoclavagens repetidas sem degradação, mas as ferramentas PEEK são caras porque as temperaturas de processamento são muito altas (cerca de 370-400 graus, de acordo com as especificações da folha de dados da Victrex, victrex.com).
Trabalhei em um projeto de dispositivo médico descartável há alguns anos, apenas uma simples bandeja moldada por injeção para procedimentos odontológicos. Só a validação do material demorou 4 meses porque tivemos que comprovar testes de biocompatibilidade de acordo com as normas ISO 10993. O design real da peça foi feito em 3 semanas. A documentação regulatória demorou mais 6 semanas. É por isso que as peças médicas moldadas por injeção custam de 3 a 5 vezes mais do que as peças de consumo equivalentes, mesmo quando são designs mais simples.
A compatibilidade da esterilização é muito mais importante do que a maioria dos engenheiros pensa. A esterilização por radiação gama pode fazer com que alguns plásticos amarelem ou se tornem quebradiços. A esterilização por EtO (óxido de etileno) é mais suave, mas apresenta problemas de absorção com certos materiais. A esterilização em autoclave requer materiais estáveis a 121-134 graus com exposição ao vapor. A escolha do material é ditada pela forma como o cliente planeja esterilizar o produto, e não apenas pelos requisitos mecânicos.
Peças automotivas que ninguém vê
Os-componentes automotivos sob o capô são brutais em materiais plásticos. Você tem ciclos de temperatura de -40 graus a 120 graus +, exposição a óleos e combustíveis, vibração e requisitos de longa vida útil (normalmente 15+ anos). É por isso que a moldagem por injeção automotiva usa muitos nylons com enchimento de vidro-e materiais especiais para altas temperaturas.
Os coletores de admissão costumavam ser fundidos em alumínio, mas agora são em sua maioria feitos de náilon preenchido com vidro moldado por injeção-. A BMW começou a fazer isso no final da década de 1990, eu acho, e todos seguiram. A economia de peso é significativa-um coletor de admissão de plástico pode ser 40-50% mais leve que o equivalente em alumínio. De acordo com algumas análises de um documento de conferência da Society of Plastics Engineers (spe.org, conferência da divisão automotiva de 2015), a mudança para coletores de admissão de plástico reduziu o peso do veículo em uma média de 3-4 kg por veículo, o que se traduz em cerca de 0,1-0,15 mpg de melhoria na economia de combustível. Não parece muito, mas multiplique isso por milhões de veículos.
Conectores e caixas de sensores são outra categoria enorme. Cada sensor em um carro moderno de-temperatura, pressão, posição, velocidade, o que quer que seja-tem uma carcaça moldada por injeção. Eles precisam ser vedados contra água e poeira (geralmente classificação mínima IP67), suportar vibrações e manter a estabilidade dimensional em toda a faixa de temperatura. As tolerâncias também podem ser restritas, como ±0,05 mm para recursos de acoplamento em conectores elétricos.
Já vi moldes de conectores automotivos que custam US$ 80.000-120.000 porque são moldes familiares que produzem diversas peças, com ações laterais para cortes inferiores e construção em aço endurecido para mais de um milhão de ciclos de vida de peças necessários. O custo por peça acaba sendo inferior a US $ 0,20 quando você está executando esse tipo de volume.
Eletrônicos de consumo é onde está o dinheiro
Capas para smartphones, capas para notebooks, molduras para tablets-todas moldadas por injeção. Os requisitos de acabamento superficial são absurdos em comparação com outras indústrias. Você precisa de acabamentos superficiais do molde A1 ou A2 (padrões SPI), o que significa polimento extensivo da cavidade do molde. Um bom polidor de molde pode levar semanas para-polir manualmente uma cavidade grande até obter um acabamento espelhado.
A Apple é famosa por fazer coisas com moldagem por injeção que outras empresas lutam para replicar. O MacBook monobloco de policarbonato de 2009-2010 foi moldado por injeção em uma única peça, o que exigia grande experiência na fabricação de moldes e controle de processo. A maioria dos fabricantes dividiria isso em várias partes porque é difícil obter uma espessura de parede uniforme e evitar marcas de afundamento em algo tão grande.
A escolha de materiais em produtos eletrônicos de consumo mudou muito na última década. O ABS costumava ser o padrão para tudo, agora você vê muito mais policarbonato, misturas de PC/ABS e materiais PPO modificados. Parte disso são os requisitos de retardamento de chamas-a classificação UL94 é importante para qualquer coisa que contenha componentes eletrônicos. A maioria das coisas precisa de pelo menos classificação V-1, muitas aplicações exigem V-0. Isso limita quais materiais e aditivos você pode usar.
A combinação de texturas e cores é um pesadelo em produtos eletrônicos de consumo. Trabalhei com uma empresa que fabricava dispositivos periféricos (teclados, mouses, esse tipo de coisa) e eles fizeram 23 revisões na textura de um produto porque o marketing continuava mudando de ideia sobre como deveria ser. Cada revisão de textura significava repolir a cavidade do molde com diferentes eletrodos EDM ou processos de ataque químico. O fabricante do molde cobrou cerca de US$ 2.000 por revisão de textura.
A correspondência de cores entre diferentes plásticos também é mais difícil do que deveria ser. Se você tiver um produto com tampa superior de PC e caixa inferior de ABS, fazer com que tenham exatamente a mesma cor quando moldados é complicado porque materiais diferentes aceitam corantes de maneira diferente. Você acaba com masterbatches de cores personalizados e muitos testes de moldagem para discar.
A embalagem é o gigante escondido
Ninguém pensa em embalagens moldadas por injeção, mas elas são enormes em termos de volume. Somente tampas de garrafas-há uma estatística em algum lugar que diz que cerca de 2 bilhões de tampas de garrafas plásticas são feitas diariamente em todo o mundo (não consigo encontrar a fonte exata agora, mas estava em um artigo da Plastics News de alguns anos atrás). Cada garrafa de água, garrafa de refrigerante, jarra de leite e garrafa de xampu tem uma tampa moldada por injeção.
Recipientes para alimentos, embalagens de cosméticos, frascos de remédios,-todos moldados por injeção. Os requisitos são diferentes de outras aplicações porque você precisa de materiais seguros-para alimentos (novamente regulamentações da FDA) e boa resistência química. O polipropileno domina esse espaço porque é barato,-seguro para alimentos e quimicamente inerte. O HDPE também é comum, especialmente para garrafas e recipientes que necessitam de alguma flexibilidade.
A moldagem-de paredes finas para recipientes de alimentos é sua especialidade. Estamos falando de espessuras de parede de 0,5-0,8 mm, o que requer altas velocidades de injeção e máquinas especializadas com bom controle de disparo. Os tempos de ciclo são rápidos, como 4-8 segundos para um recipiente de iogurte. Visitei um fabricante de embalagens na Itália que operava moldes de 48 cavidades para pequenos recipientes de alimentos, produzindo milhares de peças por hora em uma única máquina.
Os custos de ferramentas para moldes de embalagem são interessantes porque geralmente são moldes familiares (vários tamanhos de cavidades) ou moldes com múltiplas-cavidades com contagens absurdas de cavidades. Um molde para tampa de garrafa com 96-cavidades pode custar US$ 150,000+ mas quando você fabrica dezenas de milhões de peças, o custo de ferramentas por peça se torna insignificante.
Aplicações industriais e de construção que duram para sempre
Gabinetes elétricos, caixas de junção, caixas de interruptores-toneladas de peças moldadas por injeção em edifícios e equipamentos industriais. Os requisitos de material são diferentes aqui porque você precisa de resistência aos raios UV (se estiver ao ar livre), retardador de chama e resistência ao impacto. O ABS não funciona em aplicações externas porque se degrada sob a exposição aos raios UV. ASA é melhor, mas mais caro. O policarbonato funciona, mas amarela com o tempo. Sempre há compromissos.
As peças de gerenciamento de cabos, como prendedores de cabos, aliviadores de tensão e prensa-cabos, são em sua maioria moldadas por injeção. O nylon é popular para isso devido à sua tenacidade e resistência química. Trabalhei com presilhas de cabo M20 e M25 que precisam manter a vedação IP68 após serem instaladas e removidas diversas vezes-as tolerâncias dimensionais nas roscas e superfícies de vedação devem ser apertadas (±0,1 mm ou melhor em recursos críticos).
Acessórios para tubos e componentes de encanamento também são uma grande categoria. As conexões de PVC e PP são moldadas por injeção, embora as peças de grande diâmetro sejam frequentemente feitas por outros processos. As classificações de pressão são importantes-uma conexão classificada para 150 PSI precisa de paredes mais espessas e melhores propriedades de material do que uma classificada para 50 PSI. Os graus do material são especificados de acordo com os padrões ASTM e os requisitos de teste são descritos em itens como ASTM D2846 para conexões de PVC.
Brinquedos e produtos recreativos
Obviamente, os brinquedos são principalmente de plástico moldado por injeção. As peças de LEGO são o exemplo clássico-fabricadas com tolerâncias incrivelmente restritas (±0,01 mm ou algo assim) para que elas se encaixem perfeitamente sempre. A LEGO usa ABS exclusivamente, eu acho, e eles têm feito moldagem por injeção desde os anos 1940 ou 50, então eles têm o processo completamente ajustado.
Bonecos de ação, bonecos, veículos de brinquedo-todos moldados por injeção, geralmente vários-filmes ou montagem de vários componentes moldados. A escolha do material para brinquedos é limitada por normas de segurança. Nos EUA existem requisitos CPSIA, na Europa existem padrões de segurança de brinquedos EN 71. Certos plastificantes e aditivos são proibidos em produtos infantis, o que exclui algumas opções de materiais.
Os equipamentos esportivos também possuem muitas peças moldadas. Capas para botas de esqui, quadros de patins em linha, componentes para bicicletas, equipamentos de proteção. Os requisitos mecânicos podem ser exigentes-as botas de esqui precisam ser rígidas o suficiente para transmitir força com eficiência, mas não tão frágeis a ponto de racharem em climas frios. Isso geralmente significa materiais de poliuretano ou poliamida, e as espessuras das paredes ficam pesadas (3-6 mm em algumas áreas).
O que não funciona bem com moldagem por injeção
Peças muito grandes tornam-se desafiadoras porque você precisa de máquinas enormes e os custos com ferramentas explodem. Os pára-choques automotivos estão no limite do que faz sentido-eles exigem máquinas com força de fixação de 1000+ toneladas e moldes que pesam várias toneladas. O investimento de capital para esse equipamento é de milhões de dólares, por isso apenas os grandes fabricantes podem fazê-lo.
Peças superpequenas com tolerâncias restritas também são difíceis. Peças micro{1}}moldadas médicas, como componentes de cateteres ou dispositivos microfluídicos, ultrapassam os limites do que é possível. Você está lidando com tamanhos de comporta inferiores a 0,3 mm, dimensões de cavidade medidas em décimos de milímetros e controle de processo que requer sistemas de feedback ativo. As taxas de rejeição podem ser altas mesmo com moldes perfeitos porque pequenas quantidades de contaminação ou variação do processo causam problemas.
Peças com seções muito grossas não moldam bem devido ao tempo de resfriamento e marcas de afundamento. Qualquer coisa com espessura de parede superior a 6-8 mm começa a ter problemas. A parte externa esfria e solidifica enquanto a parte interna ainda está derretida e, à medida que o centro esfria, ela encolhe, puxando a superfície externa para dentro e criando marcas ou vazios. Às vezes você pode compensar com pressão de embalagem e tempos de resfriamento mais longos, mas é sempre uma luta. Melhor redesenhar a peça com nervuras ou seções ocas, se possível.
Materiais que não são termoplásticos não funcionam de todo. Termofixos como resinas epóxi ou fenólicas precisam de processos diferentes (moldagem por compressão ou moldagem por transferência). Obviamente, os metais não podem ser moldados por injeção, embora a moldagem por injeção de metal (MIM) exista como um processo relacionado para metais em pó.
A economia quando você está tentando tomar uma decisão
Para pequenas quantidades (menos de 1.000 peças), a moldagem por injeção geralmente não faz sentido, a menos que você precise de propriedades de material específicas ou acabamentos de superfície que não podem ser obtidos de outras maneiras. O custo das ferramentas domina o custo por{2}}peça em volumes baixos. Um molde de protótipo simples pode custar de US$ 3.000 a 5.000, mas você está distribuindo esse custo por um pequeno número de peças.
O ponto de cruzamento onde a moldagem por injeção se torna mais barata do que outros processos depende da complexidade e do tamanho da peça, mas geralmente fica entre 500 e 2.000 unidades. Abaixo disso, a impressão 3D ou usinagem CNC tende a ser mais econômica. Acima disso, a moldagem por injeção vence.
Geralmente digo às pessoas para pensarem da seguinte maneira: se o ferramental custa US$ 10.000 e as peças custam US$ 0,50 cada para moldar, você precisa fabricar 20.000 peças antes que o custo por{5}}peça caia para menos de US$ 1,00 (US$ 10.000/20,000 + US$ 0,50). Se você precisar apenas de 1.000 peças, o custo por{15}}peça será, na verdade, de US$ 10,50 (US$ 10.000/1,000 + US$ 0,50). Isso muda completamente o cálculo.
Volumes de produção na casa dos milhões são onde a moldagem por injeção realmente brilha. O-custo por peça pode cair para níveis ridículos-como US$ 0,10-0,20 para peças simples. O custo do ferramental é amortizado em tantas peças que quase não importa. É por isso que os produtos de consumo descartáveis são quase todos lâminas de barbear moldadas por injeção, canetas, garrafas, recipientes, o que quer que seja. As margens funcionam quando cada peça custa alguns centavos para ser feita.
Há muito mais aplicações do que as que abordei aqui (componentes de móveis, peças de eletrodomésticos, lentes ópticas, peças de instrumentos musicais, provavelmente uma centena de outras categorias), mas essas são as principais indústrias com as quais lidei. A versatilidade do processo é o que o torna tão dominante-você pode fazer um componente de precisão de 1 grama ou um painel automotivo de 5 quilos com basicamente a mesma tecnologia fundamental, apenas ampliada ou reduzida.
Há muito mais aplicações do que as que abordei aqui (componentes de móveis, peças de eletrodomésticos, lentes ópticas, peças de instrumentos musicais, provavelmente uma centena de outras categorias), mas essas são as principais indústrias com as quais lidei. A versatilidade do processo é o que o torna tão dominante-você pode fazer um componente de precisão de 1 grama ou um painel automotivo de 5 quilos com basicamente a mesma tecnologia fundamental, apenas ampliada ou reduzida.
Se você está entrando neste campo, gaste algum tempo entendendo como projetar peças moldadas por injeção corretamente, porque a estratégia de moldagem por injeção da linha de partição afeta tudo a jusante. Já vi muitos engenheiros encomendarem peças moldadas por injeção sem considerar as especificações cosméticas das peças moldadas por injeção e depois reclamarem do custo da peça moldada por injeção quando revisões são necessárias. Defeitos comuns em peças de moldagem por injeção geralmente remontam a problemas de projeto-coisas como moldagem por injeção de peças grossas sem canais de resfriamento adequados ou tentativa de moldagem por injeção de peças grandes sem entender como o fluxo de material funciona em cavidades maiores. A experiência necessária também varia muito: a moldagem por injeção de plástico para peças automotivas exige um conhecimento diferente da moldagem por injeção para peças de aviação, e processos especializados, como peças de moldagem por injeção de reação ou peças de moldagem por injeção de metal, são conjuntos de habilidades completamente diferentes. Mesmo pós--processamento-de recozimento de peças plásticas moldadas por injeção pode reduzir tensões residuais que causam problemas de empenamento meses após a produção. Esteja você trabalhando com um básicopeças de molde de moldagem por injeçãoconfigurar ou avaliar peças plásticas produzidas por uma operação de moldagem por injeção, compreender os fundamentos evita erros caros posteriormente. A tecnologia não vai a lugar nenhum-as peças moldadas por injeção e as peças moldadas por injeção de plástico continuarão dominando a fabricação porque nada mais é escalonável como ele.