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El mecanizado CNC y el moldeo por inyección son opciones destacadas a la hora de producir piezas mecánicas para la industria electrónica, con sus propios puntos fuertes y consideraciones. El mecanizado CNC ofrece precisión y flexibilidad para piezas personalizadas y plazos de entrega cortos, mientras que el moldeo por inyección presume de eficacia y escalabilidad. Comprender los entresijos de estas tecnologías, incluida la compatibilidad de materiales, la flexibilidad de diseño y la capacidad de producción, permite a los ingenieros y diseñadores de productos seleccionar el proceso de fabricación óptimo.
En los últimos diez años, he tenido la oportunidad de trabajar con varios clientes de la industria electrónica, abordando proyectos diversos y utilizando una amplia gama de tecnologías. Este artículo, escrito en colaboración con nuestros ingenieros, se centra en las piezas mecánicas de la industria electrónica producidas con procesos de mecanizado CNC y moldeo por inyección de plástico, las opciones más populares, especialmente para la fabricación de volúmenes medios y altos de dispositivos electrónicos finales.
Esperamos aportar valiosas ideas sobre las consideraciones clave a la hora de diseñar piezas mecánicas para las necesidades específicas del campo de la electrónica.
¿Por qué elegir el mecanizado CNC para la electrónica?
La elección de la tecnología de fabricación depende de varios factores, como la complejidad del diseño o el volumen de producción. Pero lo más importante es garantizar la funcionalidad y fiabilidad de los dispositivos electrónicos, lo que hace esencial una producción de alta precisión. Componentes como carcasas metálicas, conectores o disipadores de calor, por ejemplo, requieren tolerancias muy finas para encajar perfectamente en los conjuntos electrónicos. Esto significa que las tolerancias estrechas y la repetibilidad del proceso son esenciales.
El mecanizado CNC es la tecnología que nos permite conseguir las mejores tolerancias y trabajar con una gama casi infinita de materiales (todo lo que necesitamos es un bloque o una barra del material). Esto nos permite diseñar productos bien adaptados al entorno en el que se utilizará el dispositivo.
Aunque la fabricación en chapa metálica es ideal para producir piezas rentables con un espesor uniforme que puedan cortarse o plegarse, tiende a ser menos precisa. Sin embargo, los materiales disponibles para la chapa son similares a los del mecanizado CNC, por lo que las características de los materiales y los acabados que se mencionan a continuación también se aplican a las piezas de chapa.
Compatibilidad electromagnética del mecanizado CNC para piezas como conectores o disipadores de calor
Es importante garantizar la compatibilidad electromagnética de los dispositivos. Esto significa que dispositivos como conectores y pequeños componentes de cobre deben diseñarse de forma que no causen ni experimenten interferencias electromagnéticas con otros dispositivos. En la práctica, esto significa proporcionar blindaje electromagnético, lo que implica, por ejemplo, encerrar el dispositivo electrónico en un material conductor como el acero o el aluminio para bloquear las ondas electromagnéticas. Esto puede hacerse con los procesos de mecanizado y chapa metálica. Otra opción es aplicar un revestimiento conductor a las piezas para crear simplemente una capa conductora de níquel.
Materiales de mecanizado CNC para electrónica
Los componentes de soporte complejos pueden fabricarse con diversos materiales, en función de las necesidades específicas de la aplicación y, a menudo, del entorno. Por lo general, en un producto para la industria electrónica, las piezas tendrán distintas funciones, lo que significa que se requiere una combinación de propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas.
Por ejemplo, el aluminio, como la aleación 6061, es útil como disipador térmico. Sin embargo, la necesidad de aislamiento puede satisfacerse con polímeros (plásticos), como ABS, POM (Delrin/Acetal) o Poliamida (Nylon), que son muy estándar. El PEEK, en cambio, es mucho más caro y rígido, aunque también tiene propiedades aislantes.
En la tabla siguiente se comparan las propiedades de los materiales más utilizados en el mecanizado CNC para la industria electrónica:
| Material | Tipo de material | Resistencia a la tracción (MPa) | HDT a 0,46 MPa (°C) | Dureza |
| Aluminio 6061 | Metal | 180 – 260 | N/A | 65 – 85HB |
| ABS | Polímero | 37 | 100 | 70D |
| POM (Delrin/Acetal) | Polímero | 66 – 67 | 156 | 81D |
| Nylon 6 / PA 6 | Polímero | 82 | 100 | 83D |
| PEEK | Polímero | 96 | 152 | 81D |
Mecanizado CNC de acabados superficiales para piezas estéticas como carcasas y cajas
Los acabados superficiales adecuados para la electrónica se aplican principalmente a los metales. Los plásticos suelen utilizarse por sus propiedades intrínsecas y no requieren tratamiento posterior. Algunos de estos acabados superficiales pueden aumentar muy ligeramente el espesor de la pieza, como el recubrimiento en polvo o el anodizado. Por el contrario, el electropulido puede reducir muy ligeramente el espesor. Por eso es importante especificar en los diseños las tolerancias deseadas tras el postprocesado, para que puedan tenerse en cuenta al fabricar las piezas.
Existen tres categorías de acabado superficial:
- Acabados sin reacción química
- Acabados con reacción química sin electrólisis
- Acabados con reacción química electrolítica
La electrólisis consiste en utilizar una corriente eléctrica para provocar una reacción química que no se produce de forma natural. Para ello, se sumergen piezas en un líquido conductor y se conectan a un terminal positivo. Estas piezas actúan como ánodos, perdiendo electrones en el proceso. La electrólisis fuerza entonces la oxidación de las piezas, dando lugar a la reacción química deseada.
| Acabado superficial | Tipo | Definición | Resultado | Materiales idóneos |
| Chorreado con microesferas | Sin reacción química | Pulverización de un chorro a presión de pequeñas microesferas sobre la superficie de la pieza para eliminar rebabas e imperfecciones y dejar un acabado liso. | Acabado satinado mate uniforme | Todo tipo de metales y plásticos |
| Recubrimiento en polvo* | Sin reacción química | Aplicación de un polvo seco y fluido a una pieza. A diferencia de la pintura líquida normal, que utiliza un disolvente que se evapora, el recubrimiento en polvo se aplica electrostáticamente y luego se cura con calor o luz UV. | Superficie más lisa, mayor resistencia a la corrosión y protección de la pieza. Puede proporcionar una gama infinita de colores posibles | En general, los materiales más adecuados son las aleaciones de aluminio y acero |
| Pasivado | Con reacción química sin electrólisis | Inmersión de la pieza en un baño ácido para disolver el hierro y reforzar la acción protectora del óxido de cromo formado naturalmente. | Mayor resistencia a la corrosión | Acero inoxidable |
| Niquelado químico | Con reacción química sin electrólisis | Se aplica una capa uniforme de aleación de níquel y fósforo a la superficie de la pieza. A continuación, la pieza se sumerge en un baño que contiene sales de níquel y agentes reductores de fósforo. El niquelado es uniforme, lo que confiere a la pieza una densidad de corriente y una resistencia uniformes. | Mayor resistencia al desgaste mecánico, a la corrosión y mayor conductividad eléctrica | Todo tipo de metales |
| Anodizado | Con reacción química electrolítica | La pieza se sumerge en un electrolito, normalmente ácido sulfúrico, donde actúa como ánodo. El oxígeno entra en la pieza y reacciona formando óxido de aluminio en la superficie, que protege la pieza de la corrosión. Hay distintos tipos de anodizado:
|
Protegen contra la corrosión, prolongan la durabilidad de las piezas, garantizan la no conductividad y mejoran la estética. El acabado puede ser brillante o mate si la pieza se ha chorreado previamente. | Aluminio |
| Electropulido | Con reacción química electrolítica | El ánodo es una pieza de acero inoxidable. La corriente actúa con más fuerza sobre las microrrugosidades de la superficie, haciéndola más plana y menos rugosa. Esta técnica es especialmente útil para microdesbarbar y eliminar las impurezas que puedan haberse acumulado durante la producción de la pieza. Otra ventaja es que el hierro también se disuelve más rápidamente en la superficie, dando lugar a una capa protectora muy ligera de óxido de cromo, similar a la pasivación. | Superficie más lisa. Acabado superficial más o menos brillante en función de la duración de la inmersión. | Acero inoxidable |
| Electrogalvanizado / Galvanoplastia | Con reacción química electrolítica | Este proceso consiste en depositar una fina capa de zinc sobre una pieza metálica mediante electrólisis. | Mayor resistencia a la corrosión, acabado brillante y uniforme | Todo tipo de metales |
*Los recubrimientos en polvo ESD están especialmente formulados para evitar la acumulación de electricidad estática, lo que implica materiales y pasos de fabricación adicionales en comparación con los recubrimientos en polvo normales. Por ello, pueden ser más caros y requerir más tiempo que los recubrimientos en polvo normales.
¿Por qué elegir el moldeo por inyección para la electrónica?
El moldeo por inyección es un método de fabricación muy popular para la producción de carcasas, zócalos y soportes de componentes debido a sus numerosas ventajas, especialmente en la producción de piezas de plástico de alta calidad, consistentes y rentables:
- Coste competitivo para la producción en serie: Una vez fabricado el molde, el coste por pieza es muy bajo y disminuye con el volumen de producción. Esto lo convierte en una opción económicamente viable para la producción en masa de piezas a la hora de diseñar dispositivos electrónicos.
- Coherencia y reproducibilidad: Una vez establecido el utillaje, puede utilizarse para producir piezas idénticas. En general, el utillaje está garantizado para varias decenas o centenares de miles, o incluso varios millones de piezas. La excelente reproducibilidad de las piezas garantiza una calidad uniforme durante toda la vida útil del producto que se va a fabricar. Los «moldes familiares» o multicavidad también son una opción. En este caso, se fabrican distintas piezas al mismo tiempo en una misma herramienta, por ejemplo una pieza izquierda y otra derecha. Con este método, el ensamblaje es constante a lo largo del tiempo.
- Precisión dimensional: el moldeo por inyección puede alcanzar tolerancias muy elevadas para responder a la complejidad de diseño de los dispositivos electrónicos. Puede utilizarse para fabricar piezas de todos los tamaños, sobre todo muy pequeñas, con detalles muy finos, pero también con una excelente calidad superficial. Puede ser una opción interesante porque, además de su funcionalidad intrínseca, las piezas suelen requerir un aspecto estético específico.
Sin embargo, es importante tener en cuenta las numerosas limitaciones asociadas al utillaje, sobre todo en lo que respecta al desmoldeo de las piezas. Además, para obtener resultados óptimos durante el moldeo por inyección, el espesor de la pieza debe ser relativamente constante (por lo general, en torno a 3 mm como máximo), siendo las nervaduras internas más finas aproximadamente la mitad de gruesas. Por ello, el diseño debe adaptarse específicamente al moldeo por inyección, lo que puede limitar la libertad de diseño en comparación con el mecanizado o la impresión 3D.
Diseños específicos para carcasas moldeadas por inyección de plástico
Montajes en el producto final
Anticiparse al montaje de productos electrónicos es posible desde la fase de diseño. Para montajes bastante estándar, podemos prever pequeños resaltes en las piezas para que luego se puedan colocar tornillos autorroscantes, en particular para fijar las placas electrónicas. También es fácil diseñar sistemas de clip que funcionan muy bien con el moldeo por inyección.
Sobremoldeo en el moldeo por inyección
Existen diferentes tipos de opciones de sobremoldeo en el moldeo por inyección:
- La adición de insertos metálicos roscados proporciona un medio eficaz de fijación de los demás componentes. Este método es especialmente útil cuando el producto requiere repetidos montajes y desmontajes para garantizar una durabilidad óptima, a diferencia de los tornillos autorroscantes en salientes de plástico.
- También se pueden sobremoldear otros tipos de piezas metálicas, como lengüetas de cobre. Esto permite colocar con gran precisión todos los pequeños elementos del conector. En este caso, la finalidad del sobremoldeo es sellar y proteger los componentes electrónicos y/o los cables, garantizando su integridad y durabilidad.
- El sobremoldeo bimaterial ofrece muchas posibilidades, sobre todo cuando se combina una pieza rígida con otra flexible. Este enfoque reduce el número de pasos de montaje, ahorrando tiempo y dinero en el proceso de diseño. Además, también puede mejorar la estanqueidad de los productos, ofreciendo una mayor resistencia al agua, el polvo, la humedad o la presión, por ejemplo en armarios. También es posible integrar una zona de botones blandos en una carcasa. La eficacia del sobremoldeo dependerá en gran medida del diseño de la pieza. Por ejemplo, es posible una unión mecánica entre los dos plásticos o una unión química. En este caso, la elección del material es crucial, ya que no todos los materiales son compatibles.
Soldadura por ultrasonidos
En términos de diseño, los ensamblajes soldados, en particular los que utilizan soldadura por ultrasonidos, también conocida como soldadura por vibración, son cada vez más interesantes para las piezas moldeadas por inyección. Por lo general, es necesario diseñar la pieza con el cordón de soldadura ya presente. Esta técnica es muy útil para crear uniones sólidas sin dañar los componentes. Además, al igual que el sobremoldeo, permite sellar dos componentes de forma permanente.
Materiales de moldeo por inyección para componentes como conectores y soportes electrónicos
Existe una amplia gama de materiales entre los que elegir para los proyectos de moldeo por inyección, en función de las aplicaciones electrónicas y las limitaciones medioambientales. Los dispositivos electrónicos suelen requerir materiales aislantes y resistentes al calor para garantizar un funcionamiento óptimo y seguro.
He aquí algunos ejemplos de materiales utilizados habitualmente:
- El ABS y el Nylon (PA 6 y PA 66) se utilizan mucho en la electrónica de consumo por su versatilidad y su coste relativamente bajo.
- El policarbonato (PC) suele preferirse cuando se requiere transparencia, al tiempo que ofrece más características técnicas.
- Los elastómeros como el TPE y el TPV, con diferentes durezas Shore A, se utilizan para proporcionar flexibilidad y, posiblemente, resistencia a los impactos.
- Materiales como el PPS o el PEEK ofrecen una excelente resistencia al calor y al fuego, y tienen excelentes propiedades mecánicas.
En la tabla siguiente se comparan las propiedades mecánicas y térmicas de los materiales de moldeo por inyección más conocidos:
| Material | Tipo de material | Resistencia a la tracción (MPa) | HDT a 0,45 MPa (°C) | Dureza |
| ABS | Polímero rígido | 45 | 83 (1,8 MPa) | 110R (Rockwell) |
| Nylon 6, PA 6 | Polímero rígido | 85 | 177 | 80D |
| Nylon 66, PA 66 | Polímero rígido | 80 | 200 | N/A |
| Polycarbonate (PC) | Polímero rígido | 62 | 135 | N/A |
| PPS | Polímero rígido | 100 | 280 | N/A |
| TPE | Elastómero | 1.7 | N/A | 56A |
| TPV | Elastómero | 1.88 | N/A | 60A |
Los valores indicados en esta tabla son genéricos y pueden variar de un proveedor a otro. Todos los valores se han tomado de fichas técnicas genéricas de ulprospector.com.
La elección de los materiales depende de los requisitos específicos de cada aplicación, ya sea en términos de propiedades mecánicas, resistencia a altas temperaturas, transparencia u otras características.
Acabados superficiales de moldeo por inyección para electrónica
Existen algunas diferencias en comparación con el mecanizado CNC, en el que el objetivo de los acabados descritos anteriormente para piezas metálicas es principalmente mejorar las características de las piezas mediante el postprocesado. En el moldeo por inyección, el plástico ya tiene las características deseadas. Por lo tanto, debe evitarse la pintura, ya que podría descascarillarse y alterar potencialmente la inflamabilidad de la pieza.
Sin embargo, es posible obtener diferentes acabados superficiales por razones estéticas o para facilitar el montaje, en función de la rugosidad elegida. El propio molde se fabrica antes de producir las piezas, para obtener diferentes acabados superficiales, generalmente de acuerdo con las normas SPI o VDI. Gracias a este método, el acabado superficial de las piezas viene determinado por el utillaje y no por el tratamiento posterior. Aunque conviene recordar que no todos los materiales obtienen los mismos resultados en cuanto a acabado superficial.
No obstante, ciertos métodos de posprocesado son bastante comunes en el moldeo por inyección, especialmente en electrónica, por ejemplo, para marcar la ubicación de los botones o para colocar un logotipo. También son posibles distintos tipos de posprocesado de marca:
- Tampografía: Proceso de fotograbado indirecto utilizado para imprimir imágenes detalladas y de alta calidad en objetos con formas y superficies irregulares. Este proceso suele reservarse para grandes volúmenes.
- Serigrafía: Es la solución líder para placas electrónicas diseñadas para alojar componentes. Se utiliza una lámina metálica como plantilla para aplicar la crema de soldadura y distinguir así las zonas conductoras del circuito impreso.
- Litografía EUV (ultravioleta extremo): Este proceso permite imprimir en diferentes colores (siempre en función de las características específicas de los plásticos). Se utiliza luz ultravioleta extrema para crear patrones extremadamente finos en placas de silicio.
Materiales específicos para la electrónica
Materiales con certificación UL 94
La inflamabilidad suele ser uno de los criterios más cruciales para la electrónica. Por lo general, los materiales se prueban de acuerdo con la norma UL 94. Esta norma evalúa el comportamiento de los plásticos en caso de combustión, teniendo en cuenta orientaciones horizontales y verticales y espesores, desde el menos ignífugo hasta el más ignífugo. Por ejemplo, si un material está clasificado como UL-94 V0, debe especificarse el espesor (por ejemplo, 2 mm). Este grosor debe respetarse para beneficiarse de una característica ignífuga de grado V0.
En el caso de series muy grandes con un color específico, es posible pedir a un fabricante de materiales que produzca un grado de material personalizado que ya haya sido coloreado en masa y clasificado como V-0.
La siguiente tabla proporciona una lista de materiales con clasificación UL 94 V-0 para mecanizado CNC y moldeo por inyección:
La siguiente tabla proporciona una lista de materiales con clasificación UL 94 V-0 para mecanizado CNC y moldeo por inyección:
| Tipo | Clasificación de material según UL 94 V0 |
| ABS | Polylac PA-765 |
| ABS/PC | Bayblend FR3010 |
| PA | Technyl A 20 V25 (25% glass fibre) |
| PBT | CCP 4115 104F (15% glass fibre) |
| PEI | ULTEM 1010 |
| PPS | Fortron 1140L4 (40% glass fibre) |
| PC | Lexan 3413R 40 GF |
| PEEK | Victrex 450g |
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Materiales ESD
Los materiales ESD (ElectroStatic Discharge) son esenciales en la producción de piezas mecánicas para electrónica, especialmente en el moldeo por inyección. Protegen contra descargas electrostáticas potencialmente dañinas. Mediante el uso de polímeros conductores de la electricidad (por ejemplo, las versiones ESD de PVDF, PA 6, PP, PE) o disipadores (como las versiones ESD de PEI y POM, aunque debe indicarse claramente en la ficha técnica), desvían las cargas electrostáticas de los componentes electrónicos sensibles. Esto reduce el riesgo de fallo de los dispositivos electrónicos, garantizando su fiabilidad y durabilidad.
Además, estos materiales suelen ofrecer propiedades mecánicas superiores, como resistencia al calor y durabilidad, lo que los hace adecuados para aplicaciones electrónicas exigentes. En resumen, garantizan la calidad y longevidad de las piezas mecánicas, lo que prolonga la vida útil de los dispositivos electrónicos.
Fibras
Es importante recordar que existe un mayor riesgo de deformación en el proceso de inyección cuando se trabaja con un material relleno de fibra (como las variantes de Nylon, PBT o PPS rellenas de vidrio) . Esto significa que el riesgo es aún mayor si se requieren tolerancias precisas o planitud. Por eso es de vital importancia prever el diseño del punto de inyección. Incluso puede ser necesario realizar un estudio reológico para comprender mejor el comportamiento del material. También aconsejamos incluir un gran número de nervaduras para reforzar la pieza y minimizar el riesgo de deformación o inestabilidad. Así se evita que la pieza se deforme o pandee.
Consejos prácticos antes de pedir piezas para electrónica
Aquí tienes 6 consejos prácticos para mejorar los plazos de tu proyecto y evitar los problemas más comunes a la hora de crear piezas mecánicas para electrónica:
- Cree un plano 2D lo más detallado posible, además del modelo CAD 3D. El plano 2D debe incluir todas las dimensiones críticas basadas en las tolerancias requeridas. También recomendamos compartir detalles del conjunto final del producto en lugar de la pieza individual. De este modo, el fabricante puede diseñar el utillaje teniendo en cuenta el conjunto.
- Recuerde que puede modificar el utillaje en el moldeo por inyección. Es mejor diseñar una pieza con, por ejemplo, nervios ligeramente más finos. Luego, si hay zonas que no cumplen las tolerancias deseadas, es más fácil volver a mecanizar el utillaje y así engrosar la pieza.
- Especifique el grado de los materiales (por ejemplo, tipo de aleación para los metales, pretratamiento) para garantizar la elección correcta en función de las propiedades requeridas. Por ejemplo, el material ABS se presenta en muchas marcas y variedades con propiedades diferentes, como la clasificación UL 94. Por tanto, se recomienda encarecidamente facilitar información detallada sobre el material necesario.
- Evitar los materiales rellenos de fibra si las tolerancias son estrictas para mantener la estabilidad dimensional.
- Elija colores genéricos para que las características del material para materiales UL94-V0 no se vean afectadas.
- Evite las pinturas para no afectar a la inflamabilidad
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