Moldagem por injeção de baixa pressão: Como resolve 3 grandes problemas na eletrónica

Antes da descoberta da moldagem por injeção a baixa pressão (LPIM) na década de 1970, eram utilizados diferentes métodos tradicionais de selagem hermética, envasamento e revestimentos isolantes para o encapsulamento de componentes electrónicos. O principal desafio destas técnicas é que, por vezes, o componente eletrónico não é devidamente selado ou os selos degradam-se com o tempo, expondo os componentes electrónicos à humidade e a potenciais perigos.

Havia também o risco de danos durante o processo de selagem devido a temperaturas elevadas ou danos mecânicos durante a aplicação do selante. Componentes como as placas de circuito impresso tendem a ter superfícies irregulares ou geometria complexa, o que torna mais difícil conseguir uma selagem uniforme. Estes métodos tradicionais são, na sua maioria, trabalhosos e demorados, o que aumenta os custos de fabrico.

O que é a moldagem por injeção de baixa pressão?

Tal como o nome sugere, os materiais termoplásticos são utilizados a baixa pressão (20 a 580 psi) e temperatura (356°F a 428°F) para encapsular peças electrónicas delicadas. A pressão mais baixa torna-o seguro para componentes como conectores e placas de circuito impresso (PCB), que as altas temperaturas e pressões podem facilmente danificar.

Os materiais termoplásticos, como os policarbonatos e as poliamidas (nylon), são mais utilizados devido à sua maior fluidez a baixas pressões. Eis os diferentes tipos de materiais utilizados na moldagem por injeção a baixa pressão e as suas vantagens.

São vários os factores que determinam a escolha do material para o seu produto. Os factores mais importantes são as propriedades que pretende que o produto tenha e o ambiente onde será utilizado. Por exemplo, se estiver a criar um produto que será utilizado num hospital, o silicone de grau médico (certificado ISO 10993) é a melhor escolha devido à sua elevada resistência à temperatura e aos produtos químicos e à sua biocompatibilidade.

Etapas envolvidas na moldagem por injeção a baixa pressão

A ideia principal desta técnica é derreter o material plástico desejado e moldá-lo à volta do componente. Todo o processo pode ser resumido em quatro passos principais. Assim, é mais fácil dizer que se trata de um processo mais simples do que os métodos tradicionais, como o envasamento, com sete a oito passos. As fases envolvidas nos moldes de injeção de baixa pressão são as seguintes:

• Aquecimento do material de moldagem: O primeiro passo é aquecer o material termoplástico desejado.
• Colocação do componente: O componente a ser encapsulado é colocado numa metade da cavidade do molde, e o molde é fechado.
• Injeção de material de moldagem: O material de moldagem liquefeito é injetado na cavidade a baixa pressão.
• Arrefecimento: Devido à temperatura e pressão reduzidas, a moldagem por injeção a baixa pressão cura mais rapidamente

Tabela de comparação técnica: LPIM vs Processos Tradicionais

A técnica LPIM de revestimento de materiais é mais simples e mais eficiente em comparação com os métodos tradicionais. Ao contrário destes últimos, requer menos intervenção humana, o que torna possível o escalonamento sem erros humanos adicionais. Consegue uma ocultação perfeita sem danificar materiais delicados. Algumas das principais vantagens da utilização da LPIM na indústria transformadora são destacadas abaixo.

#1. Melhoria da eficiência dos custos

A moldagem por injeção a baixa pressão utiliza menos material para conseguir um encapsulamento completo em comparação com os métodos tradicionais. Além disso, funciona a uma pressão e temperatura mais baixas, o que significa menores facturas de energia. O tempo de ciclo mais rápido permite aos fabricantes aumentar a sua produção e satisfazer as encomendas mais rapidamente.

#2. Menor investimento em ferramentas

Devido aos requisitos de temperatura e pressão mais baixos para este processo, os moldes de alumínio podem ser ideais em vez dos moldes de aço mais dispendiosos, especialmente para pequenas séries de produção. Isto reduz o investimento inicial e o tempo de execução.

#3. Melhor proteção dos componentes

O LPIM faz um melhor trabalho na proteção de componentes com geometrias complexas, como conectores, sensores e placas de circuito, com maior consistência e risco mínimo de danos. O selante entra em áreas onde os métodos tradicionais podem ter dificuldade em chegar.

#4. Melhor estética e resistência

A moldagem por injeção a baixa pressão consegue um acabamento mais limpo e mais polido, que os consumidores considerarão mais atraente em comparação com os métodos tradicionais. Além disso, os fabricantes podem personalizar as propriedades do seu produto alterando o material utilizado na moldagem.

Análise aprofundada dos três principais pontos problemáticos no fabrico de dispositivos electrónicos

Os dispositivos electrónicos são delicados. A sua eficiência ou utilidade pode ser prejudicada por elementos naturais como o pó, os raios UV e a humidade. Por conseguinte, os fabricantes de dispositivos electrónicos têm de encontrar uma forma de proteger os seus produtos destes elementos naturais sem danificar a unidade. Encontrar o equilíbrio tem sido um grande desafio na indústria até à moldagem por injeção de baixa pressão.

Embora os métodos tradicionais anteriores oferecessem algum nível de proteção aos dispositivos electrónicos, como placas de circuito impresso e conectores, enfrentavam normalmente três desafios principais: falta de precisão, elevada taxa de danos e elevado impacto nos custos e no ambiente. Os fabricantes que confiavam nos métodos tradicionais eram muitas vezes acusados pelos reguladores ambientais de deixarem um rasto de sujidade. Então, como é que os fabricantes ultrapassaram os pontos problemáticos dos métodos tradicionais de encapsulamento utilizando a moldagem por injeção de baixa pressão?

Ponto problemático 1: O dilema da eficiência da embalagem para componentes electrónicos de precisão

Os métodos de revestimento tradicionais teriam sido mais fáceis de utilizar se a eletrónica tivesse apenas um componente. No entanto, uma placa de circuito impresso típica tem diferentes componentes com geometrias, tamanhos e orientações variáveis - e é aí que as técnicas de encapsulamento tradicionais têm dificuldades.

Com o revestimento isolante e o encapsulamento, é difícil obter a mesma consistência de vedação em toda a placa. Por outras palavras, acabará por ter um produto em que uma área pode ter uma camada espessa de material vedante, enquanto outra área terá uma camada fina. Este revestimento imperfeito pode introduzir espaços de ar ou levar a uma cobertura incompleta, conduzindo assim a uma proteção incompleta do dispositivo eletrónico.

Ponto problemático 2: Elevada taxa de danos em peças/insertos de paredes finas

Ao contrário da moldagem por injeção a baixa pressão, as técnicas tradicionais de encapsulamento são trabalhosas, o que pode levar a maiores danos em peças de paredes finas devido a erro humano. Por exemplo, como o processo de cura de alguns compostos de encapsulamento envolve reacções químicas, podem gerar calor que pode danificar componentes sensíveis ou provocar falhas nas juntas de soldadura.

Podem ocorrer danos em peças de paredes finas devido à contração do material de enchimento durante o processo de cura. A contração pode causar tensões no componente devido à inflexibilidade do material de revestimento. Parte desta falha pode resultar de fissuração ou delaminação do material de revestimento. A fissuração pode ocorrer devido à disparidade do coeficiente de expansão induzida pelo calor entre o material de revestimento e o substrato. Uma vez formadas as fissuras, as peças electrónicas tornam-se vulneráveis a poeiras e fluidos.

Além disso, os vedantes tradicionais são difíceis de remover, o que dificulta a reparação se houver danos na peça. Por conseguinte, é necessário ter muito cuidado ao remover os vedantes para evitar danos adicionais nas peças.

Ponto problemático 3: Custos e riscos elevados da conformidade ambiental

O desperdício de material dos métodos tradicionais pode parecer pequeno no início, em comparação com o fabrico de um molde de injeção de alumínio de baixa pressão. No entanto, os custos começarão a aumentar quando tiver de efetuar frequentemente novas encomendas de materiais. O envasamento é também um trabalho intensivo, o que significa mais trabalhadores na sua folha de pagamentos. A moldagem por injeção de baixa pressão compensa os custos iniciais mais elevados das ferramentas, permitindo aos fabricantes executar ciclos mais rápidos, reduzir a mão de obra e diminuir o consumo de material.

Para além do custo económico, o revestimento tradicional utiliza frequentemente produtos químicos que podem ser tóxicos para o ambiente. Por exemplo, o envasamento utiliza isocianatos. A inalação a curto prazo deste composto pode provocar irritação ocular, irritação do nariz e da garganta, pieira, tosse e perturbações gastrointestinais, como náuseas.

Diretrizes técnicas de implementação para a moldagem por injeção a baixa pressão

Para uma implementação eficaz e consistente da moldagem por injeção a baixa pressão, os fabricantes devem seguir um conjunto de diretrizes. Estas diretrizes abrangem a seleção do material, a conceção do molde, a configuração da máquina de moldagem e o controlo do processo. Cada um destes factores deve ser objeto de uma grande reflexão, tendo como ponto central o encapsulamento perfeito da peça eletrónica ou do inserto.

• Seleção de materiais: O material escolhido deve ser compatível com a peça eletrónica, bem como ter as propriedades certas (resistência à humidade e à temperatura e compatibilidade química) para a aplicação pretendida.
• Conceção do molde: Para um fluxo de material consistente e para evitar linhas de soldadura, a parede deve ter uma espessura uniforme e a comporta deve ter a dimensão e a localização corretas. Os cantos agudos devem ser evitados para reduzir a concentração de tensões, que podem provocar fissuras. A ventilação deve ser adequada para uma libertação correta do ar durante a injeção, a fim de evitar a formação de bolsas de ar, o que conduziria a produtos defeituosos.
• Montagem da máquina de moldagem: A máquina de moldagem deve ser regulada com os parâmetros ideais para a moldagem por injeção a baixa pressão, tal como recomendado pelo fabricante, incluindo a temperatura, a pressão, a velocidade de injeção e o tempo de arrefecimento.
• Controlo do processo: Os principais parâmetros de moldagem devem ser monitorizados de forma consistente para garantir a consistência da qualidade das peças. Todas as especificações de materiais, parâmetros, procedimentos e guias de resolução de problemas devem ser documentados.

Tabela de seleção de equipamento

A moldagem por injeção a baixa pressão requer equipamento especializado optimizado para lidar com a delicada inserção. Os sistemas de controlo de temperatura e de fornecimento de material são componentes críticos que podem fazer ou prejudicar o sucesso do sistema no encapsulamento de peças electrónicas frágeis. A tabela abaixo irá guiá-lo na seleção do equipamento.

Pontos-chave da conceção do molde

Ao projetar um molde, é necessário prestar atenção ao núcleo, aos ângulos de inclinação, à linha de partição, ao sistema de ejeção e aos canais de refrigeração. A estratégia de projeto do molde começa com a análise do desenho 2D/3D da pastilha que contém as dimensões, a geometria e a tolerância. O projeto do núcleo é modelado de acordo com a geometria da peça. Outras considerações críticas no projeto do molde são:

• Ângulos do projeto: Evitar a aderência da peça ao molde, o que poderia provocar danos durante a ejeção.
• Linha de despedida: A localização deve ser cuidadosamente pensada para minimizar a visibilidade que pode afetar a estética e a integridade estrutural da peça.
• Sistema de ejeção: Os pinos ejectores devem ser eficazes e minimizar quaisquer danos potenciais na peça moldada
• Sistema de arrefecimento: Deve ser estrategicamente colocado no molde para fazer circular corretamente o líquido de refrigeração e evitar marcas de afundamento ou deformações.
• Conceção para a capacidade de fabrico: O desenho do molde deve ser eficiente e relativamente fácil de produzir.

Aplicação industrial do molde de injeção de baixa pressão

A moldagem por injeção a baixa pressão tem uma vasta aplicação industrial, incluindo na eletrónica, automóvel, dispositivos médicos e aeroespacial. Quando realizada corretamente, proporciona uma excelente proteção contra produtos químicos, poeiras e humidade. Consequentemente, ajuda a prolongar o tempo de vida útil do componente selado. Abaixo estão as aplicações industriais práticas do LPIM.

• Indústria eletrónica: Utilizado para revestir placas de circuitos, conectores e outros componentes delicados para os proteger da humidade, do impacto físico e do pó. Pode também formar uma parte estrutural do componente.
• Indústria automóvel: É principalmente utilizado para sobremoldar material ao substrato, particularmente no interior do veículo, incluindo protecções de portas e protecções de prateleiras de encomendas.
• Dispositivos médicos: Os dispositivos médicos têm de ser esterilizados frequentemente com produtos químicos ou calor. A parte sensível dos dispositivos é normalmente encapsulada utilizando moldagem por injeção a baixa pressão para garantir que podem ser esterilizados sem perder a sua eficiência.
• Indústria aeroespacial: A moldagem por injeção a baixa pressão é utilizada para selar as ligações dos cabos como uma solução mais duradoura e permanente para as ligações dos cabos.

A mudança para a moldagem por injeção a baixa pressão ajudou os fabricantes a evitar as armadilhas do encapsulamento tradicional de peças electrónicas e tornou todo o processo mais rápido e mais sustentável. As vantagens da moldagem por injeção a baixa pressão são enormes. Ao compreenderem plenamente o processo, os fabricantes podem fazer a escolha correta do melhor material a utilizar para alcançar o resultado desejado.