¿En qué consiste la fabricación de prototipos de caucho de silicona líquida (LSR), cómo debe diseñarse un prototipo de LSR y qué factores influyen en la selección del material, el utillaje, la calidad del moldeo, el coste y la preparación para la producción?

La creación de prototipos con caucho de silicona líquida (LSR) es un método de fabricación que se utiliza para crear componentes prototipo flexibles, resistentes al calor y a los productos químicos, y con un alto nivel de detalle, antes de la producción a gran escala. El LSR se suele utilizar para juntas, membranas, válvulas, componentes médicos, productos wearables, productos para el cuidado del bebé y otras piezas que requieren propiedades elásticas. El proceso suele utilizar un sistema de silicona líquida de dos componentes que se dosifica, se mezcla, se inyecta en un molde y se cura dentro del mismo. Para las empresas que desarrollan productos que necesitan el comportamiento real de la silicona, en lugar de una aproximación con plástico rígido, los prototipos de LSR pueden proporcionar una validación funcional más significativa.

El éxito de un prototipo de LSR comienza antes de que se fabrique el molde. La dureza del material, la geometría de la pieza, el espesor de las paredes, el ángulo de desmoldeo, los socavados, las líneas de separación, los puntos de inyección, los orificios de ventilación, las tolerancias, el acabado superficial y los requisitos de desmoldeo influyen en el resultado final. XY Machining ofrece moldeado de caucho de silicona líquida como parte de sus capacidades más amplias de moldeo por inyección y creación de prototipos, lo que permite a los ingenieros pasar del diseño CAD y la revisión de la fabricación (DFM) a la creación de prototipos funcionales y a las herramientas de producción.

¿Qué es la goma de silicona líquida?

La goma de silicona líquida es un material de silicona de dos componentes que se suministra en forma líquida y que, tras el curado, se convierte en un elastómero. A diferencia de los termoplásticos convencionales, la LSR se procesa como un material reactivo y, tras el curado, da lugar a un componente de goma flexible.

El LSR resulta especialmente útil cuando un producto requiere flexibilidad, capacidad de sellado, resistencia a la temperatura, resistencia química, aislamiento eléctrico o comportamiento elástico a largo plazo. Su combinación de flexibilidad y durabilidad lo hace adecuado para aplicaciones en las que un material rígido para prototipos no representaría con precisión el producto final.

El LSR está disponible en diferentes calidades y niveles de dureza. La dureza Shore se utiliza habitualmente para describir la resistencia de un material de silicona a la indentación. Es importante seleccionar la dureza adecuada, ya que una junta, un botón, un componente médico o una funda protectora flexible pueden tener requisitos mecánicos muy diferentes.

El tipo de material también debe seleccionarse en función del rango de temperaturas de la aplicación, la exposición a sustancias químicas, los requisitos normativos, los requisitos de color y la vida útil prevista.

¿Por qué utilizar LSR para el desarrollo de prototipos?

La razón principal para utilizar LSR en un prototipo es la validación funcional.

Un prototipo visual puede confirmar las dimensiones y el aspecto, pero es posible que no muestre con precisión cómo se comprime una junta flexible, cómo se flexiona una membrana o cómo responde un botón de silicona al uso repetido. Los prototipos de LSR pueden ofrecer una representación mucho más fiel del comportamiento final del material.

Esto hace que el proceso resulte muy útil durante el desarrollo del producto, ya que los ingenieros pueden comprobar el ajuste, la flexibilidad, la estanqueidad, la compresión, la respuesta táctil, el montaje y la interacción con otros componentes antes de dar el paso a la fabricación de utillaje para la producción en serie.

Por ejemplo, un fabricante de productos electrónicos que esté desarrollando una carcasa estanca podría necesitar comprobar si una junta de silicona se ajusta correctamente contra la estructura de la carcasa. Un prototipo de plástico rígido no puede proporcionar la misma información. Un prototipo de LSR puede revelar si la geometría de la junta y la dureza del material proporcionan el comportamiento de estanqueidad requerido.

Consideraciones sobre el diseño de prototipos de LSR

Un buen diseño de prototipos de LSR requiere una estrecha colaboración entre el diseñador del producto y el fabricante. El modelo CAD no debe enviarse directamente a la fabricación de utillaje sin comprobar si la geometría puede rellenarse, ventilarse, curarse y extraerse del molde de forma eficiente.

Estos factores deben analizarse durante la fase de diseño orientado a la fabricación (DFM). XY Machining afirma que su servicio de moldeo incluye una revisión técnica y comentarios sobre el DFM antes de la producción, lo que puede ayudar a identificar problemas de fabricabilidad antes de que se finalice el utillaje.

Espesor y geometría de la pared

El espesor de las paredes es uno de los factores más importantes en el diseño de piezas de LSR. Las grandes variaciones en el espesor de la sección pueden afectar al flujo del material, al comportamiento durante el curado, a la contracción y a la uniformidad dimensional.

Un diseñador debe evitar, en la medida de lo posible, los cambios innecesarios de grosor. Si por motivos estructurales es necesario incluir una zona de mayor grosor, las transiciones deben diseñarse con cuidado, en lugar de crear cambios bruscos.

Las secciones delgadas pueden requerir un análisis adecuado del flujo y una colocación adecuada de las entradas de colada, mientras que las secciones muy gruesas pueden requerir una atención especial en cuanto al curado y la estabilidad dimensional.

El espesor adecuado de la pared depende del tipo de material, la geometría de la pieza, el diseño del molde, la aplicación y el proceso de fabricación. Por lo tanto, las recomendaciones genéricas sobre el espesor mínimo de la pared no deben sustituir al análisis de DFM específico del proveedor.

Ángulos de desmoldeo y desmoldeo

Aunque la silicona es flexible, el diseño del molde sigue exigiendo que se tenga muy en cuenta la desmoldeación de la pieza.

El ángulo de desmoldeo puede facilitar la extracción de las piezas del utillaje, sobre todo cuando el molde presenta cavidades más profundas o superficies texturizadas. No obstante, el ángulo de desmoldeo necesario depende de la geometría y de la construcción del molde.

Las piezas complejas de LSR pueden incluir socavados, ranuras, rebordes, elementos de sellado u otras características geométricas que no pueden extraerse directamente de un molde de dos piezas.

En estos casos, el utillaje puede requerir correderas, elevadores, elementos plegables, insertos o estrategias alternativas de corte. Estas decisiones relativas al utillaje pueden influir significativamente en el coste y el plazo de entrega del prototipo.

Líneas de separación, compuertas y orificios de ventilación

La línea de separación es el punto en el que se unen las secciones del molde. En un componente de LSR, su ubicación puede influir en las rebabas, el aspecto, el rendimiento del sellado y el acabado posterior al moldeo.

En el caso de los componentes estéticos, la línea de separación debe situarse, por regla general, en un lugar donde tenga un impacto visual mínimo. En el caso de los componentes de estanqueidad, no debe interferir con las superficies de estanqueidad críticas, a menos que el utillaje y el proceso de acabado puedan controlar la característica resultante.

La ubicación de la entrada es igualmente importante, ya que determina cómo entra la silicona líquida y cómo rellena la cavidad. El fabricante debe tener en cuenta la distancia de flujo, la geometría de las características, la evacuación del aire y la ubicación de las superficies críticas.

La ventilación permite que el aire desplazado salga de la cavidad. Una ventilación deficiente puede provocar un llenado incompleto, la acumulación de aire, defectos superficiales o un aspecto irregular.

Estas decisiones deben tomarse durante la fase de diseño del molde, y no después de la primera prueba de moldeo.

Cómo elegir el material LSR adecuado

La selección del material debe basarse en los requisitos reales de la aplicación, en lugar de limitarse a elegir un tipo de silicona con el que se esté familiarizado.

Entre los factores importantes se incluyen la dureza, la temperatura de funcionamiento, la exposición a sustancias químicas, la flexibilidad, el comportamiento ante la compresión, el color, la transparencia, las propiedades eléctricas y los requisitos normativos.

Las aplicaciones médicas y sanitarias pueden requerir calidades específicas y documentación. En los productos de consumo, pueden primar el aspecto, el tacto y el color. En las juntas industriales, pueden primar el rendimiento a la compresión, la resistencia química y la estabilidad térmica.

Si el prototipo se va a utilizar para realizar pruebas funcionales, el material debe ser lo más similar posible al material de producción. De lo contrario, es posible que los resultados de las pruebas no reflejen con precisión el rendimiento en producción.

Opciones de herramientas para prototipos de LSR

El utillaje es una de las principales diferencias entre un prototipo de silicona y un simple modelo conceptual impreso en 3D.

En las primeras fases de desarrollo, los fabricantes pueden recurrir a estrategias de utillaje prototipo que reduzcan la inversión inicial. A medida que el diseño se va consolidando y aumenta el volumen de producción, el proyecto puede pasar a utilizar un utillaje de producción duradero.

El servicio de moldeo por inyección de XY Machining incluye la fabricación rápida de moldes para prototipos y series de bajo volumen, así como la fabricación de moldes de producción para la fabricación de grandes volúmenes. Asimismo, indica que sus moldes pueden fabricarse en aluminio y acero endurecido, en función de los requisitos de producción.

La estrategia adecuada en materia de herramientas depende de la cantidad prevista, la estabilidad del diseño, la geometría, la tolerancia requerida y la vida útil de la producción.

Proceso de fabricación de prototipos de LSR

El proceso de fabricación suele comenzar con la revisión de los planos técnicos y de CAD. El fabricante evalúa la geometría, el material, las tolerancias, la línea de separación, la ubicación de las entradas de material, los orificios de ventilación y los requisitos de utillaje.

Una vez aprobado el diseño para la fabricación (DFM), se fabrica y se inspecciona el molde. A continuación, se preparan los componentes de silicona líquida para el moldeo.

Los sistemas LSR suelen constar de dos componentes que se dosifican y mezclan con precisión antes de la inyección. El material entra en la cavidad del molde, donde el calor controlado inicia el curado. Tras el curado, la pieza se extrae, se inspecciona y se prepara para cualquier proceso de acabado o montaje necesario.

Las primeras muestras moldeadas revisten una importancia especial. Permiten al equipo de ingeniería evaluar las dimensiones, el aspecto, las rebabas, las líneas de separación, el comportamiento del material y el rendimiento funcional.

Si se detectan problemas, es posible que haya que modificar el molde o el proceso antes de que se apruebe el diseño para su producción.

Control de calidad de los prototipos de LSR

El control de calidad debe planificarse antes de la fabricación, en lugar de incorporarse una vez finalizado el prototipo.

La inspección dimensional permite verificar características críticas como los diámetros de sellado, las dimensiones de montaje, el espesor de las paredes y las interfaces con los componentes de acoplamiento.

La inspección visual permite detectar rebabas, burbujas de aire, llenado incompleto, defectos superficiales, contaminación e irregularidades estéticas.

En el caso de algunos componentes de LSR, las pruebas funcionales pueden ser más importantes que la inspección dimensional. Una junta, una válvula, una membrana o un botón flexible pueden cumplir con las especificaciones dimensionales del plano y, aun así, no cumplir con los requisitos funcionales.

Por lo tanto, el plan de inspección debería basarse en lo que el componente realmente tiene que cumplir.

En el caso de los sectores regulados, es posible que se requiera documentación adicional, como certificados de materiales, trazabilidad de lotes, informes de inspección y documentación de procesos.

Defectos habituales en los prototipos de LSR

Pueden surgir diversos problemas de fabricación cuando el diseño, las herramientas o los parámetros de moldeo no se controlan adecuadamente.

El reborde puede producirse cuando la silicona se escapa por los huecos entre los componentes del molde. Un reborde excesivo puede afectar a las superficies de sellado y puede requerir un recorte o una corrección del utillaje.

Puede producirse una acumulación de aire cuando este no puede escapar de forma eficaz a medida que la silicona llena la cavidad. Un diseño adecuado de las válvulas de ventilación y de las entradas de inyección puede ayudar a reducir este riesgo.

Un llenado incompleto puede deberse a condiciones de flujo inadecuadas, un movimiento insuficiente del material, una ventilación deficiente o una geometría problemática.

La variación dimensional puede verse influida por el comportamiento del material, la temperatura del molde, las condiciones de curado, la contracción, la precisión de las herramientas y la uniformidad del proceso.

Estas cuestiones son las que justifican que el moldeo de prototipos se considere un proceso de validación de ingeniería y no simplemente un método para fabricar piezas de muestra.

Prototipado con LSR frente a la impresión 3D

La impresión 3D puede resultar excelente para validar rápidamente la forma y el ajuste básico de un componente, pero no reproduce necesariamente el comportamiento del LSR de producción.

Un material elastomérico impreso puede presentar diferentes niveles de elasticidad, comportamiento a la compresión, características superficiales, resistencia química y rendimiento a largo plazo.

Por lo tanto, el mejor proceso de creación de prototipos depende de lo que se vaya a probar.

Si el objetivo es simplemente comprobar las dimensiones, el ajuste en la carcasa o el juego de montaje, la impresión 3D puede ser suficiente. Si el objetivo es evaluar la estanqueidad, la flexibilidad, el tacto o el comportamiento específico de la silicona, un prototipo de LSR suele ser más representativo.

Para una comparación más amplia de los métodos de fabricación, XY Machining también ofrece Guía sobre impresión 3D y mecanizado CNC que puede ayudar a los ingenieros a determinar qué proceso es el adecuado en las distintas fases del desarrollo del producto.

Factores que influyen en el coste de los prototipos de LSR

El precio de los prototipos de LSR depende de varias variables, entre las que se incluyen el tamaño de la pieza, la geometría, el material, la complejidad del utillaje, el número de cavidades, las tolerancias, el acabado superficial, la cantidad y los requisitos de inspección.

El utillaje suele representar una parte importante del coste inicial, ya que es necesario diseñar y fabricar el molde antes de poder producir las piezas.

Un molde prototipo sencillo de una sola cavidad puede resultar considerablemente más económico que un molde de producción complejo de varias cavidades con correderas, insertos, funciones automatizadas y tolerancias estrictas.

La cantidad también influye en los aspectos económicos. Si solo se necesitan unos pocos prototipos, puede que no merezca la pena invertir en un costoso utillaje de producción. Si el diseño ya está validado y se van a fabricar miles de piezas, un utillaje de producción más duradero puede reducir el coste por pieza a largo plazo.

Para obtener más información sobre la economía de la fabricación, el Guía de precios del mecanizado CNC explica cómo la complejidad del diseño, la configuración, los materiales, los acabados y el volumen de producción pueden influir en el coste de fabricación. Aunque la guía se centra en el mecanizado CNC, el principio general se aplica a la planificación de prototipos: las decisiones de diseño que se toman antes de la producción pueden tener un efecto significativo en el coste total.

¿Cuándo conviene utilizar LSR para un prototipo?

El LSR resulta especialmente adecuado cuando el producto final depende de la flexibilidad, la elasticidad, la resistencia a la temperatura, las propiedades de sellado o el tacto de la silicona.

Entre las aplicaciones típicas se incluyen:

• Componentes médicos y sanitarios en los que se requieren piezas flexibles y precisas.
• Juntas y juntas de estanqueidad en las que es necesario comprobar la compresión y la recuperación.
• Válvulas y membranas en las que es importante contar con una flexibilidad controlada.
• Productos para llevar puestos en los que la suavidad y el confort en contacto con la piel son fundamentales.
• Componentes electrónicos de protección en los que se requiere un sellado flexible y resistencia a las condiciones ambientales.
• Productos de consumo en los que es necesario validar la respuesta táctil y las interfaces flexibles.
• Productos para el cuidado del bebé y otras aplicaciones en las que el tipo de silicona seleccionado debe cumplir unos requisitos normativos y de materiales específicos.

La idoneidad concreta del LSR depende de los requisitos técnicos y normativos de la aplicación, por lo que la selección del material debe confirmarse con el fabricante y el proveedor del material.

Cómo preparar una solicitud de presupuesto para un prototipo de LSR

Una solicitud de presupuesto detallada ayuda a los fabricantes a ofrecer presupuestos más precisos y a detectar posibles problemas de diseño en una fase más temprana.

Normalmente, el paquete debe incluir el modelo CAD en 3D, el plano técnico en 2D, el material requerido o el tipo de silicona, la dureza Shore, el color, la cantidad, las tolerancias críticas, los requisitos de superficie, la aplicación prevista y la fecha de entrega prevista.

Si la pieza es un sello o una junta, facilite información sobre los componentes con los que se acopla y las condiciones de compresión o estanqueidad previstas.

Si el componente va a estar expuesto a productos químicos, calor, presión, aceites o flexiones repetidas, también debe incluirse esta información.

En el caso de las aplicaciones sujetas a normativa, especifique los requisitos de documentación y certificación antes de que comience la fabricación de las herramientas.

Reflexiones finales

La creación de prototipos con caucho de silicona líquida resulta especialmente útil cuando los ingenieros necesitan validar el comportamiento funcional real de un componente flexible de silicona antes de dar el paso a la producción a gran escala. El proceso permite detectar problemas relacionados con el sellado, la compresión, la flexibilidad, el ajuste, la respuesta táctil, la selección de materiales y el diseño del molde que podrían pasar desapercibidos con un simple prototipo visual.

Los mejores resultados se obtienen cuando el prototipado con LSR se aborda como un proceso de ingeniería desde el principio. La selección de materiales, el espesor de las paredes, el ángulo de desmoldeo, las líneas de separación, las entradas de material, los orificios de ventilación, las tolerancias, las herramientas y los requisitos de inspección deben tenerse en cuenta antes de fabricar el molde.

Para las empresas que desarrollan componentes de LSR, trabajar con un proveedor capaz de ofrecer tanto apoyo en materia de diseño para la fabricación (DFM) como un proceso que abarque desde el utillaje de prototipos hasta el de producción puede reducir los rediseños innecesarios y los cambios de proveedor. XY Machining’s Servicio de moldeo por inyección y moldeo LSR apoya este enfoque más amplio, desde el prototipo hasta la producción, que incluye la fabricación rápida de utillaje, el utillaje de producción, la revisión técnica y el control de calidad.

Cuando un producto requiere las prestaciones de la silicona flexible, el moldeo de LSR puede ofrecer un prototipo mucho más significativo que un modelo de plástico rígido. La combinación adecuada de material, diseño, utillaje, control de procesos e inspección proporciona a los equipos de ingeniería una base más sólida para pasar de la validación del prototipo a una producción fiable.

Preguntas frecuentes sobre la fabricación de prototipos con LSR

¿En qué consiste la fabricación de prototipos con caucho de silicona líquida?

La fabricación de prototipos con caucho de silicona líquida (LSR) es un proceso que se utiliza para crear piezas prototípicas funcionales de silicona antes de la producción a gran escala. Se utiliza un material de silicona líquida de dos componentes que se mezcla, se inyecta en un molde y se cura para producir componentes flexibles y duraderos.

¿Qué factores hay que tener en cuenta a la hora de diseñar un prototipo de LSR?

Entre los factores importantes se incluyen el espesor de las paredes, los ángulos de desmoldeo, los socavados, las líneas de separación, las entradas de material, los orificios de ventilación, las tolerancias, el acabado superficial y la dureza Shore. Estos elementos de diseño influyen en el flujo del material, el curado, el desmoldeo, el aspecto, la precisión dimensional y el rendimiento general de la pieza.

¿Cómo elijo el material LSR adecuado para un prototipo?

El material LSR debe seleccionarse en función de la dureza, la flexibilidad, la resistencia a la temperatura, la exposición a sustancias químicas, el comportamiento a la compresión, el color y los requisitos normativos que exija la aplicación. Para las pruebas funcionales, el material del prototipo debe ser lo más similar posible al material de producción previsto.

¿Cuánto cuesta la fabricación de prototipos de LSR?

El coste de un prototipo de LSR depende del tamaño de la pieza, su geometría, el material, la complejidad del utillaje, el número de cavidades, las tolerancias, el acabado superficial, la cantidad y los requisitos de inspección. El utillaje para prototipos puede reducir la inversión inicial cuando solo se necesita un número reducido de piezas.

¿Es la creación de prototipos con LSR mejor que la impresión 3D para las piezas de silicona?

La creación de prototipos con LSR suele ser más adecuada cuando los ingenieros necesitan comprobar la flexibilidad real, la estanqueidad, la compresión, la respuesta táctil u otras propiedades específicas de la silicona del componente final. La impresión 3D puede resultar más adecuada para comprobar rápidamente las dimensiones básicas, el ajuste y el montaje.

Sobre el autor: Patrick Chen — Ingeniero de aplicaciones, XY Machining Patrick revisa los diseños de paredes delgadas para los equipos de ingeniería estadounidenses de XY Machining y colabora con el taller en el diseño de las fijaciones y las trayectorias de las herramientas que garantizan que las piezas delicadas se mantengan dentro de las tolerancias. Para someter a prueba de presión una pieza de pared delgada antes de elaborar el presupuesto, Envía tu modelo a nuestro equipo.