LPM: ¿Como proteger tu electrónica de manera rápida, sencilla y económica?

En este artículo voy a desgranar todo lo que hay que tener en cuenta para poder implementar y llevar a cabo la protección de componentes y circuitos electrónicos mediante la tecnología #LPM.

El motivo es poder difundir y democratizar nuestros conocimientos sobre una técnica de encapsulado y sellado de circuitos y componentes que fue muy utilizada y más visible en la década de los 90, que quedó un tanto desplazada por otro tipo de encapsulados, recubrimientos y protecciones al inicio de los 2000, pero que siempre ha tenido su espacio y rara vez es sustituible allí donde está bien implantada.

Las buenas prácticas, como en todos los procesos industriales (por pequeños que sean), siempre permiten desarrollar todo el potencial de estas tecnologías, y en esos proyectos es donde nos gusta movernos y trabajar.

Antes de seguir, ¿Qué es el LPM?
LPM viene de las siglas en inglés Low Pressure Moulding, cuya traducción es #Sobremoldeado a Baja Presión.

El propio nombre no deja lugar a dudas, y además diferencia esta tecnología de la Inyección de Plásticos, en donde es necesario inyectar o extrudir a elevadas presiones para poder conseguir acabados y geometrías concretas. Con mayor énfasis en piezas pequeñas.

Además, en la inyección convencional la materia prima polimérica suele necesitar altas temperaturas para reblandecer y fundir hasta una viscosidad óptima para el procesado. Este factor es habitualmente debido a que los polímeros materia prima suelen ser de cadena corta y/o muy ramificados, lo cual conferirá las propiedades fisicoquímicas y mecánicas necesarias a la pieza final.

En la mayoría de casos, a esta materia prima se le añaden cargas y fibras adicionales previamente o durante el proceso de inyección, la mayoría muy abrasivas (duras, que provocan rallado) para conferirle un plus de resistencia a ciertos agresivos.

Bajo estas condiciones de cargas abrasivas, elevadas temperaturas por encima de 250-300ºC, y presiones de inyección muchas veces por encima de 60MPa (≈600bar), es evidente los daños que producen en moldes, la fuerza de cierre que deben hacer y los sistemas de apriete hidráulicos y mordazas que necesitamos en estas instalaciones.

Pero, ¿Qué sucede si ponemos un componente electrónico en este molde?
Lo destruiremos, no hay más.

La electrónica, con tendencia a la #miniaturización e incorporación antenas y sensores en nuestros dispositivos, cada vez incorpora componentes más sensibles y caros. Y en mayor densidad, lo que supone que cualquier desajuste, movimiento de la soldadura, etc.; implica una destrucción de dispositivos de cada vez más valor.

Eso sin contar que muchos de estos pueden estar controlando seguridad en nuestros dispositivos personales, permitiendo la movilidad a las personas, entregando oxígeno a un paciente o formar parte del control de los elementos de seguridad pasiva de nuestro vehículo.

Es de entender que no hay margen para errores.

La buena noticia es que la tecnología LPM no tiene nada que ver con la inyección a alta presión descritos.
En LPM, el material con el que se trabaja es un polímero especial de cadenas largas poco ramificadas (Bajo Peso Molecular), de la familia de las Poliamidas y se trata de una materia prima pura, sin cargas abrasivas.

¿Qué particularidades tienen las poliamidas termofusibles para LPM?
En primer lugar, el material reblandece y funde hasta una viscosidad apropiada para la inyección a partir de 150ºC, teniendo un material muy liquido y fluido incluso por debajo de los 200ºC (según la referencia).

En estas condiciones, la inyección y el llenado de la cavidad, incluso si esta es estrecha, angosta o de geometría compleja, se desarrolla a muy baja presión (habitualmente por debajo de 6-8bar), lo que nos permite tener unas instalaciones más sencillas, ya que la carga dinámica y estática es mucho menor.

No solo eso.

Bajo estas condiciones, ubicar un componente, placa o dispositivo electrónico en el molde y inyectarle resina para recubrirlo es totalmente factible, y una practica extendida en el mercado. Seguramente habéis tenido una pieza en las manos alguna vez en micros, antenas WIFI para el coche, etc.

Además, muchos de estos materiales deben cumplir con estándares específicos para electrónica, como comportamiento ante llama, en RFID, absorción de gases/líquidos, IP, etc.

¿Esto que me permite?
Permite tener mi electrónica encapsulada, sellada frente a agresión de polvo, temperatura, humedad, y otros agentes que pudieran dañarla.

La aísla eléctricamente gracias a la gran capacidad dieléctrica del material.

La protege frente a ojos demasiado curiosos 😉

Y todo ello en un proceso rápido de unos segundos/pieza, repetible, escalable y preciso. Posicionamos la pieza en el molde, cerramos, inyectamos, abrimos y expulsamos.

Pero, como en todo, ha habido y hay malas prácticas. Y estas llevan a malos resultados.
Si bien es cierto que podría hacerme un molde de aluminio muy económico, comprar una pistola fusora manual, colocar todo en mi mordaza de banco e inyectar piezas con un acabado bastante bueno; esto debería quedar reservado para prototipado o preseries cortas si no queremos perder esta repetibilidad, calidad y acabado de las piezas.

El proceso necesita de los equipos adecuados para poder industrializarlo y, aunque ni se acercan a la inversión en equipos de inyección industriales, tampoco podemos esperar grandes resultados sin una inversión adecuada.

¿En qué debo fijarme e invertir recursos?
Para un proceso industrializable y que garantice la calidad, en el sistema que empleamos en #SMARTECH entran en juego decisiones en varios aspectos como:

Diseño de la pieza #electrónica a sobremoldear.
Estudio de sus componentes para ver los más sensibles a temperaturas y presiones.
Con ello, seleccionamos la Poliamida Termofusible adecuada.
En paralelo, realizamos el diseño del molde pensando en puntos de inyección, como fluye el material, cierre, cableado, insertos, expulsión, etc.
Calculamos las cargas térmicas para prever una refrigeración en el molde que me permita tener la temperatura de la cavidad bajo control en todo el proceso.
Test de verificación para corregir y evaluar tiempos de ciclo.
Dimensionar el equipo (prensas, automatismo, PLC, fusor, secador de granza, dosificadores, etc.)
SmartMelt V222
Foto: SmartMelt V222

Para comprender mejor de que estoy hablando, voy a poner un ejemplo real y a describir los elementos y puntos clave que hemos tenido en cuenta para su desarrollo e industrialización.

En este caso, la producción se realiza en nuestras instalaciones de manera subcontratada, aunque el 90% de nuestros proyectos se integran en los centros de nuestros clientes.

SOBREMOLDEADO de una PTC para calefacción doméstica
En este ejemplo práctico y sencillo de un caso real, el cliente necesita proteger unas PTC que van en el circuito de funcionamiento y control de dispositivos de calefacción doméstica, aislándolas de la humedad hasta conseguir un grado de estanqueidad IP mínimo de 65, óptimo 67.

PTC sistema calefacción doméstica
Foto: PTC sistema calefacción doméstica

La PTC va soldada al cable de conexión delgado, por lo que se requiere que el material de recubrimiento tenga buena adhesión a la funda de este cable sin fundirlo, y una fluidez muy buena para penetrar por los recodos que se forman en la pieza y envolver las soldaduras proporcionando resistencia mecánica en esta unión.

Por tanto, necesitamos un material que sea flexible para evitar que aparezcan efectos de pelado en la zona por donde salen los cables.

Además, en este caso requerimos un aislamiento térmico para garantizar el buen funcionamiento de la sonda, y una protección frente a llama de grado UL 94 V0, el mayor y más exigente en los test para prevenir formación y propagación de llama.

La ventaja de la Poliamida, en este caso la Thermelt 867 negra de APS – Advanced ProSer, y de la tecnología de sobremoldeado SMARTECH, es que el recubrimiento cumple estas especificaciones sin necesidad de caja o envolvente, lo cual abarata costes, optimiza el procesado de las piezas y reduce volumen y peso en las mismas.

Para lograr el objetivo en cuanto a cadencia de producción, se ha diseñado un molde multi-cámara capaz de sobremoldear las piezas de 3 en tres, con unos insertos para dejar los cables fuera y a la vez sellar y conseguir la presión interna suficiente que compacte el material y haga la pieza sólida, y un sistema de salida de aire que permite evacuarlo sin mermas de material, rechupes ni rebabas que debamos cortar tras extraer las piezas.

La bancada de la máquina tiene también la opción de colocar otro molde y otro cabezal inyector para doblar producción, y para ello se ha previsto también todo el sistema de refrigeración de molde (en este caso, debido al tamaño de molde, diseño y cavidad, esta se realiza con placas de conducción y control de Temperatura por sonda en ambas caras del molde,) y expulsión de las piezas de manera que se puedan procesar rápido y a la vez no dejar marcas no deseadas en los componentes acabados.

Molde para LPM de PTC
El molde, realizado en acero con tratamiento de nitrurado para conferir una superficie anti-adherente duradera, tiene las salidas de cable diseñadas como insertos ya que son piezas de desgaste y así, podemos cambiarlas cuando sea preciso sin necesidad de re-trabajar el molde o hacer uno nuevo.

Las Poliamidas termofusibles, como la mayoría de termoplásticos, absorben humedad. Es por ello que en el sistema SMARTMELT el material es secado a 80ºC, temperatura a la que la poliamida todavía no reblandece, antes de alimentarlo al fusor Focke Meler y evitando así espumados y otros efectos no deseados como burbujas o cavitación en bombas.

Además, así se atempera y podemos calentar más rápido en el fusor.

Sistema de secado y acondicionamiento de la Poliamida Termofusible
La instalación viene con el sistema “Melt On Demand” de SMARTECH. Con la ayuda de un dosificador por aspiración para la granza seca y sondas de nivel, en el fusor alimentamos solo la cantidad precisa de material previamente atemperado en el secador para unas cuantas piezas, evitando así que se pierda calor y el efecto la inercia térmica por masa, y garantizando que el depósito fusor se va vaciando para no carbonizar material.

La carbonización es un problema típico cuando no conocemos la tecnología. Como las poliamidas termofusibles se pueden refundir, hemos visto muchos procesos donde no se cuidan las mermas porque luego se realimentan al fusor, y el material va carbonizando y volviéndose frágil.

La técnica de “Melt On Demand” ayuda a estabilizar el proceso termodinámicamente, y reduce así consumos y tiempos en todo el sistema.
Con este sistema, no hay prácticamente mermas y las pocas que hay no exceden el % aconsejado de material reciclado a mezclar con fresco, que debería estar entre el 5 i el 10% de manera óptima y como máximo.

El material fundido a 190-200ºC tiene la viscosidad precisa para rellenar la cavidad, adherir al cable y enfriar para poder expulsar las piezas, con un tiempo de ciclo completo (colocación de piezas, cierre de molde, presión, llenado, enfriado, apertura y expulsión) de 12s/pieza, o de 6s/pieza en caso de usar dos moldes.

La bomba inyecta con precisión el material fundido en la cavidad a baja presión, en un molde que cierra con una prensa hidráulica dimensionada para poder operar piezas de varios tamaños y exigencias (hasta 3 Toneladas de fuerza en el cierre).

PLC de la SMARTMELT para control del proceso
Todo el proceso se controla desde un PLC integrado en el equipo SMARTMELT que permite operar en automático, programar recetas para diferentes piezas (moldes intercambiables) o operar manualmente si es preciso. Además, tenemos control 100% de todas las etapas de proceso.

¿Resultados?
Podéis verlos vosotros mismos

PTC antes y después del LPM, granza de Poliamida Termofusible utilizada
Foto: PTC procesadas mediante LPM con Thermelt 867 negra

Ya sea para diseñar e integrar un proceso e instalación SMARTMELT para LPM, o bien para hacer unas series piloto o producción de maquilas en nuestras instalaciones; si necesitas ayuda en tu proyecto, en SMARTECH estaremos encantados de trabajar contigo.

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