Fabrico de RV através de moldagem por injeção

O primeiro auricular de realidade virtual de Ivan Sutherland, chamado “Sword of Damocles”, pesava cerca de 10 libras (aproximadamente 4,5 kg). Era pesado e desconfortável de usar durante muito tempo. Por isso, era apoiada no teto através de um braço mecânico. As novas técnicas de fabrico de RV duplicaram a leveza para tornar os dispositivos mais confortáveis para uma utilização prolongada.

O peso médio dos auscultadores de realidade virtual mais recentes varia entre 500 e 800 gramas, sem a correia e a bateria. Por exemplo, o Meta Quest 3, que foi lançado em 2023, pesava aproximadamente 515 gramas. O Pico 4, que foi lançado no mesmo ano, pesava cerca de 586 gramas.

O foco das empresas que fabricam componentes de RV está a mudar para um produto leve, ergonómico e de alta precisão/alta resolução. A tendência está a transformar os auscultadores volumosos em dispositivos elegantes e utilizáveis durante todo o dia.

Peças de plástico no centro do fabrico de RV leve

A evolução das peças de plástico no fabrico de RV tem sido uma estratégia importante utilizada pelos fabricantes para obterem leveza. Isto é particularmente importante porque o plástico representa cerca de 50-70% dos componentes de RV. O invólucro externo, as correias da cabeça e a estrutura interna são feitos principalmente de plásticos duráveis. As estratégias de fabrico de componentes de RV em evolução incluem: 

• Utilização de materiais avançados: Os fabricantes de RV estão a substituir os plásticos tradicionais por alternativas de engenharia avançada, como a fibra de carbono, para reduzir o peso sem comprometer a integridade estrutural.
• Distribuição do peso: Muitos dos modelos de 2025 incluíam a utilização de um sistema de correias em forma de auréola para deslocar o centro de gravidade para mais perto da cabeça do utilizador.
• Placas de circuitos impressos de interligação de alta densidade (HDI): A tecnologia HDI é utilizada para empacotar componentes mais próximos, utilizando microvias e larguras de traço mais finas.
• Técnicas de fabrico de precisão: A utilização da moldagem por injeção VR de precisão para as peças de plástico e outras tecnologias avançadas, por exemplo, a moldagem a alta temperatura do vidro para as lentes, permite aos fabricantes satisfazer exigências de elevada precisão.

A necessidade de resolver o desconforto físico do utilizador (tensões no pescoço e dores de cabeça) e o impulso para a criação de auscultadores de RV verdadeiramente sem fios são alguns dos motores das inovações em curso na indústria.

Componentes estruturais e funcionais dos auscultadores RV

Um auscultador de realidade virtual é um dispositivo complexo. A secção frontal, também designada por visor, é a área mais crítica. Nela se encontram as lentes, os sensores e o “cérebro” do dispositivo. O invólucro exterior de plástico rígido protege os componentes electrónicos internos, ao mesmo tempo que proporciona estabilidade e conforto ao utilizador.

Os auscultadores RV podem ser divididos em três partes, nomeadamente as partes estruturais externas, os componentes funcionais e as partes ópticas.

Opções de materiais para componentes de fabrico de RV

Os materiais utilizados no fabrico de RV centram-se no equilíbrio do peso para conforto e desempenho do utilizador. Outros factores que os fabricantes de RV consideram durante a seleção do material são a durabilidade e a gestão térmica. Por exemplo, o invólucro ou revestimento exterior é fabricado com uma precisão apertada utilizando plástico de alto desempenho para equilibrar leveza e durabilidade. A precisão apertada ajuda a manter a ótica alinhada.

• Caixa VR: Plásticos como os policarbonatos (PC) e o acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), ou a mistura PC+ABS, são utilizados para o invólucro porque equilibram rigidez e leveza. Para reduzir ainda mais o peso, os fabricantes de moldes de injeção de RV utilizam frequentemente paredes finas e desenhos com nervuras e treliças.
• Componente ótico: Para as lentes, são utilizados materiais transparentes especiais com excelente resistência aos riscos. Um bom exemplo de material utilizado para fabricar uma lente de RV é o copolímero de olefina cíclico (COC) com transmitância de luz ≥ 92%.
• Conforto de utilização: O elastómero termoplástico (TPE), um material flexível e macio, é utilizado para componentes antiderrapantes, aumentando assim o conforto de utilização, especialmente para utilizadores de longas sessões.

Tecnologias-chave na conceção de moldes de injeção VR

O processo de conceção de um molde para a produção de auscultadores RV envolve tecnologias especializadas e de alta precisão. O objetivo das tecnologias-chave é fornecer componentes leves com geometrias complexas e acabamentos de superfície superiores.

O processo de criação de moldes para a moldagem por injeção VR começa frequentemente com a utilização de software CAD, CAM ou CAE avançado, como o SolidWorks ou o ProE, em combinação com a análise Moldflow para garantir a conceção para fabrico (DFM). O software avançado é crucial para otimizar a espessura da parede e o arrefecimento. Três aspectos-chave do design do molde de injeção VR incluem:

1. Controlo de precisão: A maquinagem CNC de alta velocidade e alta precisão é utilizada para garantir a extrema precisão dimensional dos moldes. Um dos principais desafios da moldagem por injeção com caixas VR é conseguir uma superfície de alto brilho sem defeitos. Isto pode ser ultrapassado através da otimização dos parâmetros de moldagem por injeção, como a velocidade, a pressão e a temperatura. Os defeitos comuns, como a deformação e a contração em formas complexas, podem ser reduzidos através da otimização do sistema de arrefecimento.
2. Otimização estrutural: Os invólucros curvos e as fivelas complexas enfrentam frequentemente vários desafios com os moldes convencionais de duas partes. Os desafios comuns na moldagem de caixas curvas em VR incluem a formação de detalhes incompletos e dificuldades de desmoldagem. A estrutura multi-slide + insert foi concebida para resolver estes problemas. Pode ser utilizada para criar peças com cortes inferiores intrincados, multidireccionais e formas complexas.
3. Tratamento de superfície: As marcas de fluxo e as linhas de soldadura são defeitos cosméticos que podem resultar de um fluxo inconsistente do plástico fundido. A redução da rugosidade micro-superficial da superfície do molde ou o polimento espelhado reduz significativamente a resistência ao atrito entre o plástico fundido e a cavidade do molde. As marcas iniciais de maquinagem são removidas utilizando pedras de óleo com granulometrias de 180 a 600. O alisamento é feito com lixa húmida de grão 400 a 1600. O polimento final é efectuado com pasta de diamante (0,25µm ou 0,5µm).

Requisitos do cliente

Um cliente especializado no fabrico de dispositivos vestíveis de RV necessitava de uma tampa frontal personalizada para auscultadores de RV. O seu fornecedor anterior não conseguiu ultrapassar o desafio do empeno resultante das paredes extremamente finas da peça. Além disso, havia a questão da precisão de montagem abaixo do padrão.

O cliente estava ansioso por encontrar um fabricante de moldes de injeção de RV que pudesse ultrapassar os desafios. O cliente ficou convencido da capacidade da First Mold para resolver os problemas depois de uma visita completa às instalações da empresa e da análise de álbuns de projectos anteriores. Os requisitos pormenorizados do cliente incluíam

• Espessura da parede da peça 1,0 mm,
• Peso ≤25g,
• Sem marcas de fluxo na superfície,
• Tolerância de montagem ±0,03mm,
• Taxa de rendimento da produção em massa ≥98%

Desafios

Conseguir um peso ≤25g exigiu mais do que uma simples troca de materiais. Primeiro, os engenheiros da Mold tiveram de repensar o projeto, em colaboração com o cliente. Foi necessário identificar áreas não críticas utilizando a Análise de Elementos Finitos (FEA). Foram adicionadas nervuras para garantir a rigidez, em vez de materiais sólidos.

Para reduzir ainda mais o peso dos auscultadores de realidade virtual, foi preferido um design de encaixe em vez de parafusos. No entanto, isso exigiu uma tolerância apertada para garantir que as peças se encaixam corretamente durante a montagem.

Solução

A First Mold adoptou a estrutura de moldagem por injeção assistida por gás (GAIM) para a conceção do molde de injeção VR. Este método oferecia vantagens significativas em relação à moldagem tradicional, utilizando gás nitrogénio pressurizado para criar secções ocas. O GAIM reduziu a utilização de resina em mais de 20%. Também permitiu a otimização da distribuição do material e melhorou a qualidade geral da superfície.

A moldagem por injeção assistida por gás cria secções ocas com arrefecimento diferencial. Ou seja, as secções ocas arrefecem mais rapidamente do que as secções sólidas. Por conseguinte, foi necessário introduzir canais de arrefecimento precisos. A otimização dos canais de arrefecimento foi importante para evitar um arrefecimento desigual, que pode levar a deformações. Um canal de arrefecimento optimizado era também importante para maximizar a velocidade de produção.

O corte foi optimizado para áreas não visíveis. Esta decisão de design foi tomada durante a fase CAD para garantir que as linhas de costura permanecessem ocultas. Manter as linhas de separação ocultas permitiu à First Mold manter a estética impecável do 100% na superfície da caixa do auricular VR.

Ajustamento do processo

O material selecionado para o fabrico de peças de plástico VR foi uma mistura de PC+ABS reforçada com fibra de vidro. A combinação deste material com a moldagem por injeção assistida por nitrogénio evita a decomposição do material. Isto deve-se ao facto de o azoto atuar como um gás inerte que desloca o oxigénio dentro do cilindro e do molde.

A deslocação do oxigénio impede a degradação do polímero a altas temperaturas. Esta técnica também evita a descoloração e mantém a resistência mecânica do plástico.

Sistema de controlo de qualidade

A First Mold utilizou a monitorização em tempo real com sensores de pressão no molde. Os sensores mediam a pressão da cavidade (até 2.000 bar) e a temperatura. Forneceram dados instantâneos sobre o enchimento do molde, a embalagem e o congelamento da porta para deteção imediata de defeitos. Isto ajudou a reduzir os refugos.

Os engenheiros da First Mold realizaram uma inspeção minuciosa da peça acabada utilizando uma máquina de medição por coordenadas (CMM). O scanner mediu as geometrias exteriores para detetar empenos que a olho nu poderiam facilmente passar despercebidos. A medição foi comparada com a planta do produto para verificar a consistência.

Resultados finais e testemunho de cliente

A First Mold não se limitou a entregar um molde. A empresa forneceu um sistema de moldagem por injeção de RV que ajudou o cliente a ultrapassar alguns dos desafios de fabrico anteriores com o seu anterior fornecedor. A solução fornecida pela First Mold ajudou o cliente a criar componentes de RV leves. Isto garantiu que o seu produto fosse mais leve do que muitos dos produtos de marcas concorrentes no mercado, oferecendo aos entusiastas da RV conforto para uma experiência de utilização mais longa.