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“I+D EN DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES Y PROCESOS DE ADDITIVE MANUFACTURING: APLICACIÓN A MOLDES PARA SERIES CORTAS DE INYECCIÓN”

1. Objetivo.

El objetivo principal del proyecto es el desarrollo de moldes de inyección para series cortas mediante fabricación aditiva con el fin de alcanzar en los moldes los requerimientos mínimos en términos de resistencia mecánica, dureza y propiedades térmicas necesarias para el proceso de inyección de piezas termoplásticas. Para ello se desarrollarán y validarán formulaciones de materiales para distintas tecnologías de fabricación aditiva, como la estereolitografía, el sinterizado por láser (de plástico y metal) y la impresión 3D Polyjet (basada en la fotopolimerización por luz ultravioleta).

Por ello, los objetivos específicos de este proyecto son:

- Obtención de moldes de inyección mediante los materiales de sinterizado láser empleados en la anualidad anterior y búsqueda de nuevos nano-materiales para mejorar los actuales.

- Empleo de la técnica de esterolitografía para fabricar moldes de inyección y modificar las resinas propias de esta tecnología con la adición de nano-cargas.

- Empleo de la tecnología de esterolitografía para producir moldes empleando como resinas las empleadas en impresión 3D-polyjet y DLP, tanto de los materiales originales como de compounds con nano-cargas.

- Valoración del empleo de la tecnología de colada, con resinas técnicas de elevadas prestaciones.

- Evaluación de la fabricación de piezas mediante sinterizado metálico para su empleo posterior en la fabricación de moldes.

- Evaluación de diseño del molde para poder ser fabricado mediante tecnologías de fabricación aditiva.

- Conclusiones sobre las mejores tecnologías/formulaciones para la fabricación de moldes prototipo para series cortas.

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2. Actividades desarrolladas.

El presente proyecto se estructura en cuatro paquetes de trabajo y ha tenido una duración de 12 meses.

A continuación, se resumen las tareas realizadas por paquete de trabajo.

PAQUETE DE TRABAJO 1 (PT1): Definición de especificaciones técnicas y requerimientos de los materiales, moldes de inyección y piezas finales inyectadas. En esta tarea se han recopilado las propiedades que los molde prototipo de inyección deberán reunir. Se prestará atención a las propiedades mecánicas (resistencia a compresión, flexión, dureza), propiedades térmicas (conductividad térmica, dilatación frente calentamiento) así como las tolerancias dimensionales que han de reunir. La determinación de los requerimientos mínimos que han de cumplir los moldes es clave de cara a las fases posteriores del proyecto especialmente en la formulación de los materiales y la optimización de las condiciones de fabricación. En cuanto a los materiales, se establecerá de forma indirecta los requisitos que han de cumplir.

Los aspectos críticos dentro de la fabricación de moldes prototipo de plástico son los siguientes:

Cierre del molde. Ambas partes del molde (macho y hembra) tienen que encajar

perfectamente, es decir, no puede producirse contracción del material durante su

fabricación porque al cerrar (y mantener la presión), romperá o no cerrará

correctamente, pudiendo salir el polímero inyectado al exterior.

Inyección del material en el molde, cerrado y frío. La inyección de material se realiza en

caliente y a elevada presión. El material del molde debe de aguantar la presión

correspondiente a la inyección de un plástico caliente en fundido, es decir, debe resistir

el impacto de un material y además no reblandecer o general deformaciones en caliente

causadas por el impacto del material.

“Mantenimiento de la presión” y “refrigeración y solidificación del objeto”. Estos dos

puntos van en conjunto, puesto que el sistema mientras la pieza se está enfrían y

solidificando, se mantiene la presión de cierre. El molde prototipo debe de soportar la

presión a la que está sometida durante todo el tiempo estimado que duran ambos

procesos sin producirse rotura en el molde.

Apertura del molde y expulsión de la pieza. Una vez abierto se produce la expulsión de

la pieza inyectada a través de la placa expulsora, donde el expulsor pasa a través del

molde para desmoldear la pieza. En este aspecto es importante, que el expulsor se

encuentre bien calibrado para que no golpee o roce las paredes del molde y pueda

generar una rotura en la zona externa del molde en la zona del expulsor.

También se han realizado los diseños de las piezas y los moldes para su posterior impresión 3D: un molde de probetas, uno de una peonza de juguete y un bote de lapiceros con el logo de AIJU.

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Estos moldes presentan en su diseño diferentes elementos de dificultad como paredes verticales (dirección del desmoldeo), huecos, cilindros, canales de alimentación, etc. Uno de los moldes diseñados es de un juguete (peonza).

En la Figura 1 se muestra el diseño de las piezas a partir de las cuales se han diseñado los moldes, que se detallan en el paquete de trabajo 2.

Diseño de probeta

Diseño de peonza

Diseño de bote de AIJU

Figura 1. Diseño de las piezas de las que se obtendrán los moldes prototipo

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PAQUETE DE TRABAJO 2 (PT2): Fabricación aditiva de moldes por 3D Polyjet, SLA y colada. Desarrollo de materiales y obtención de parámetros de fabricación

Para el desarrollo de moldes prototipo para series cortas de inyección el tipo de material usado para la fabricación del molde es crítico ya que estos materiales tienen que ser capaces de soportar:

• Temperaturas elevadas. Ejemplo: 200ºC en el caso de inyectar polietileno (PE) o polipropileno (PP), y 250ºC, en caso de emplear un material técnico como ABS.

• Presión de cierre elevada.

• Presión de inyección elevada, sobre todo en el centro del molde.

• Cierta flexibilidad para que pueda absorber la presión de cierre.

Por lo tanto, teniendo en cuenta estos parámetros se ha realizado una búsqueda y selección de diferentes materiales que pueden ser aptos para la obtención de moldes prototipo para series cortas de inyección y que cumplan con las siguientes propiedades objetivo:

Propiedades Parámetro Valor actual Valor objetivo

Resistencia a la tracción (MPa) 35-45 45-60

Resistencia a la flexión (MPa) 55-65 70-85

Mecánicas Módulo de compresión (MPa) 900-1000 1200-1300

Dureza Shore (D) 70-90 100

Dureza Rockwell 60-80 > 90

Térmicas Temperatura Flexión bajo carga a 1.80 MPa (ºC)

50-65 65-70

La búsqueda se ha centrado en buscar nuevos materiales para desarrollar productos teniendo en cuenta las diferentes tecnologías a emplear en el proyecto: Estereolitografía (SLA), Sinterizado láser (SL) e impresión 3D-polyjet:

• Esterolitografía. Para esta tecnología, se han seleccionado cuatro tipos de resinas acrílicas con diversas propiedades mecánicas y térmicas.

• Sinterizado selectivo por láser. En este caso, se ha seleccionado material de Poliamida (PA) con carga de aluminio al 30 y al 50% por su mayor resistencia mecánica.

• Impresión 3D-polyjet. De las resinas acrílicas disponibles se ha seleccionado una bimaterial que referencian como símil ABS, pues sus propiedades mecánicas son elevadas comparadas con el resto de las que existen para esta tecnología.

Además, se ha realizado una selección de cargas, que se incorporarán a algunos de los materiales anteriores, para la mejora de las propiedades mecánicas o térmicas:

• Nanotubos de carbón (CNT). Éstos pueden mejorar las propiedades mecánicas, conductividad eléctrica o térmica del molde.

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• Grafeno. Se han seleccionado dos tipos, en forma de láminas de óxido de grafeno de grafeno, los cuales pueden también mejorar las propiedades eléctricas mecánicas y térmicas de los materiales a los que se adicionan.

• Óxidos de sílice. Se han buscado diferentes cerámicas de óxido de sílice (SiO2) que se espera mejoren las propiedades mecánicas del producto final.

Con estos materiales se han desarrollado con éxito las siguientes 10 formulaciones con estas nanocargas en distintos porcentajes. Los materiales desarrollados han sido analizados con el objetivo de conocer sus propiedades físico-mecánicas, mediante FTIR, DSC, TGA, densidad, tracción, flexión y dureza.

Una vez caracterizadas se han seleccionado las que mejor cumplen los requisitos para poder ser introducidas en los equipos de fabricación aditiva y con éstas, se ha al procesado mediante las tres tecnologías indicadas:

Estereolitografía.

Se ha trabajado con las resinas acrílicas referenciadas como “resistente” y “alta temperatura”, las cuales se han modificado empleando nanotubos de carbón y óxidos de grafeno.

En general, todas las dispersiones son estables después de 24 horas, pero se ha observado que la fluidez es mayor que en las resinas originales. Se ha realizado también un estudio para comprobar la capacidad de reticulación de la formulación por la acción del láser.

Para ello se han llevado a cabo pruebas de curado previas a la introducción de las resinas en la máquina de SLA empleando un horno sistema cerrado con luz ultravioleta y un molde de silicona desarrollado para ello, para poder moldear probetas normalizadas. En la Figura 2 se muestran los materiales desarrollados se han depositado en el molde de silicona, que se han sometido a curado con lámpara ultravioleta durante 24 horas.

Figura 2. Molde de silicona relleno de las diferentes formulaciones

Se ensayaron todas las probetas curadas con la luz ultravioleta para determinar sus propiedades mecánicas y físicas.

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Las formulaciones desarrolladas se procesaron posteriormente mediante esterolitografía empleando la impresora FORM2 de FORMLABS. Se diseñaron probeta de tracción, flexión e impacto con la misma geometría que las estudiadas con el molde de silicona, aunque considerando su posición en la cámara de estereolitografía, para conseguir obtener piezas adecuadas.

En general, el empleo de todas las formulaciones realizadas no ha producido buenos resultados, debido a que la fluidez de la resina se ha modificado sustancialmente y no permite la solidificación capa a capa correctamente, entre otros motivos.

Además de caracterizar las formulaciones desarrolladas, también se realizó la caracterización de la densidad, dureza, propiedades mecánicas y térmicas de las tres resinas sin cargas para conocer sus propiedades y evaluar si éstas podrían ser idónea para la impresión 3D de moldes prototipo. De los resultados obtenidos se consideró que dos de las resinas pueden ser aptas para fabricar los moldes para inyección.

Sinterizado láser.

En el caso de sinterizado láser, se ha trabajado con las siguientes formulaciones de Poliamida con 50% y 30 % de aluminio en polvo más distintos porcentakjes de nanocargas de óxido de silicio y grafeno.

Finalmente, no fue posible el sinterizado adecuado con estos materiales cargados, ya que el material contrae durante la fabricación de las piezas. Sí se pudo obtener, como se vio después el molde con el material sin carga.

Impresión 3D polyjet.

Con el objetivo de mejorar las prestaciones de resistencia, las piezas fabricadas con este material bicomponente, se sometieron a un tratamiento térmico para asegurar una completa reticulación de la resina y mejorar su resistencia.

Se diseñaron en el proyecto tres tipos de moldes:

de probetas normalizadas de tracción (Figura 3),

peonza de juguete (Figura 4) y

bote de lapiceros con el logo de AIJU (Figura 5).

Figura 3. Diseño del molde prototipo de probetas de tracción

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Figura 4. Diseño del molde de inyección de la peonza

Figura 5. Diseño del molde de inyección bote logo de AIJU

Fabricación mediante Estereolitografía.

Para el desarrollo de moldes prototipo se valoró la posición que éste ha de tener en la zona de impresión para que se fabrique adecuadamente. Se fabricó en primer lugar un molde más pequeño, a escala 40% del tamaño original, en dos posiciones y distintos parámetros de fabricación (altura de capa de impresión).

Con los parámetros que dieron mejor resultado se procedió a la fabricación del molde de probetas. Posteriormente se realizaron unas operaciones de acabado para conseguir una adecuada calidad final. El molde definitivo se aprecia en la Figura 6. Adicionalmente, en el interior estos moldes se diseñaron y fabricaron adecuadamente unos canales de refrigeración.

Figura 6. Molde de probetas fabricado con la resina resistente.

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Sin embargo, a pesar de que la fabricación del molde se ha producido con éxito, se observaron deformaciones en unas zonas al finalizar el proceso de curado. Al presentar estas curvaturas y no quedar el molde totalmente plano, no se pudo realizar el cierre correcto en la máquina de inyección y por tanto no fue posible su uso como molde de inyección.

Los mismos pasos se llevaron a cabo con otra de las resinas, y en este caso se obtuvo el molde adecuadamente (Figura 7). Por tanto, este molde fue el empleado para la inyección de plásticos en el paquete de trabajo 4.

Figura 7. Molde probetas con resina de alta temperatura

Fabricación mediante Sinterizado láser.

En el caso de sinterizado laser, se ha procedido a la fabricación del molde de la peonza con la resina PA+50%Al. Para evitar posibles contracciones del material durante su procesado, se ha diseñado una estructura interna semi-hueca formada por zonas sólidas donde el material ha sinterizado y zonas huecas que se encuentran rellenas con material en polvo (no sinterizado) pero que no se puede extraer del interior del molde, tal como se aprecia en la Figura 8.

Figura 8. Diseño realizado en el interior de la pieza

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Los tres moldes de inyección se fabricaron correctamente, sin curvaturas o deformaciones aparentes. En la Figura 9 se incluyen dos de ellos como ejemplo.

Figura 9. Molde de PA-50%Al de la peonza y molde de probetas

Fabricación mediante Impresión 3D polyjet.

Por último, se ha realizado la impresión 3D de los moldes mediante la resina que simula ABS. Se han obtenido los tres moldes bajo estudio: probetas, peonza y bote. En todos los casos se han fabricado los moldes de forma satisfactoria y una vez finalizados, se ha realizado el tratamiento térmico descrito anteriormente. La Figura 10 muestra uno de los moldes obtenidos como ejemplo.

Figura 10. Molde de inyección del bote fabricado mediante impresión 3D Polyjet

Se realizó posteriormente un estudio para la mejora del acabado superficial de los moldes desarrollados, aplicados al molde de la peonza y probetas fabricado con PA-50Al%, que eran los que peor acabado superficial presentaban al partir de material en polvo. Se realizaron tratamientos de lijado e imprimación lijado, consiguiéndose una mejora en el acabado final de la pieza, comparándolo con las zonas no acabadas (Figura 11).

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Figura 11. Tratamientos superficiales aplicados de lijado (parte izquierda), imprimación (derecha)

Del estudio realizado se ha llegado a la conclusión de que es posible obtener moldes de inyección de series cortas con dos tipos de resinas acrílicas y poliamida con 50% de carga de aluminio.

Con estos materiales se han desarrollado tres tipos de moldes: moldes de probetas de tracción, molde de una peonza de juguete y molde de un bote para contener lapiceros…, que serán validados en el paquete de trabajo 4 mediante su uso en una máquina de inyección para inyectar materiales termoplásticos

PAQUETE DE TRABAJO 3 (PT3): Sinterizado Metálico Directo

Durante esta anualidad se ha realizado un estudio de mercado de las tecnologías actualmente existentes. También de materiales metálicos existentes en el mercado para estas tecnologías, así como las aplicaciones más habituales.

En el caso de los materiales de acero, uno de los valorados para la fabricación de moldes prototipo, gracias al actual procesado de material SLM, los componentes de acero adquieren una textura homogénea, casi sin porosidad, y las propiedades mecánicas están dentro del rango de las especificaciones del material.

A través de post-procesado como puede ser el endurecimiento, el tratamiento térmico o el prensado isostático en caliente (HIP), las propiedades de los componentes pueden adaptarse a los requisitos específicos. En la Tabla 1 se incluyen los grados de material más empleados.

Tabla 1. Propiedades de distintos grados de acero para SLM

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Se han realizado tareas para la puesta en marcha la tecnología, diseñando ciertos modelos/demostradores que permitan testar la tecnología. En la Figura 12 se incluye una imagen de los diseños realizados.

Figura 12. Diseño realizado para testear la tecnología SLM

Posteriormente se trabajó para optimizar la fabricación de soportes, puesto que uno de los aspectos más complicados de esta tecnología es el posterior trabajo de procesado, para sustraer los objetos de la base metálica y eliminar el soporte (Figura 13).

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Figura 13. Diseño de varios tipos de soporte para piezas diversas recién salidas de máquina

Para comprobar la porosidad del material, se diseñó y fabricó una pieza con superficie plana, la cual se pulió y se analizó si el objeto presentaba poros en su interior. También se aplicó pulido externo de manera adecuada (Figura 14).

Figura 14. Piezas pulidas y abrillantadas

Por último, se realizó un estudio inicial de proceso híbrido, combinando la fabricación de un postizo de molde mecanizado (por CNC) sobre el que se fabrica una parte mediante SLM. Esto permite realizar canales de refrigeración a medida (conformal cooling), no posible con otras tecnologías, abaratando el proceso de fabricación global del molde al combinar SLM con CNC convencional, y ayudando a disminuir los tiempos de ciclo de inyección.

En la Figura 15 se muestra un diseño de pieza con conformal cooling y en la se muestran piezas sinterizadas con dichos canales personalizados y a medida de la figura.

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Figura 15. Diseño de postizo con conformal cooling

Figura 16. Postizos de fabricación híbrida SLM+CNC con conformal cooling

PAQUETE DE TRABAJO 4 (PT4): Validación de los prototipos fabricados. Inyección de series cortas de materiales

Los moldes prototipos obtenidos en el PT2 empleando diferentes tecnologías de fabricación aditiva se han validado mediante inyección con distintos termoplásticos. También se han validado las piezas inyectadas con dichos moldes mediante la normativa aplicable.

Validación del molde de probetas

- Los moldes obtenidos mediante SLA han sido evaluados empleando una máquina de inyección de laboratorio (Micro-Inyectora MTT 12/90 HSE) y se ha realizado la inyección de probetas de un material técnico como es el ABS.

Al realizar unos procesos requeridos de fresado para el acople del molde a la máquina éste se fracturó, por lo que fue imposible poder colocarlo en la máquina de inyección y validarlo. Se consideró que el problema viene determinado más por la estructura de la inyectora que por el propio material, ya que se trata de una resina de muy buenas prestaciones. Por ello, se considera que el material sí sería apto para fabricar moldes prototipo para otro tipo de inyectora.

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- En el molde sinterizado con PA-50%Al se pudieron realizar sin problemas los pasos anteriores de fresado para repasar las geometrías. Sin embargo, la contracción del material que se produjo, hizo que molde no se pudiera cerrar correctamente, imposibilitando también el uso de este molde.

- Con el molde de resina símil ABS se pudieron llevar a cabo de forma correcta todos los pasos anteriores, no se produjeron problemas en el montaje del molde y sí se ha podido realizar la inyección de probetas de ABS Figura 17 y Figura 18.

Figura 17. Molde de probetas obtenido por impresión 3D polyjet inyectando

Figura 18. Probetas de ABS inyectadas a diferente presión de inyección

Validación de molde de bote

Este molde ha sido validado en una máquina de inyección industrial (inyectora Demag 110Hx95V). Los moldes han sido colocados en un porta-moldes desarrollado para este tipo de moldes. En este caso, se ha evaluado el molde mediante la inyección de tres tipos de polímeros: un polietileno (PE) elastomérico, un polipropileno (PP) y un ABS.

Este molde se diseñó para comprobar cómo funcionaban paredes verticales y tabiques tanto en la fabricación del molde como en la inyección de piezas.

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La Figura 19 muestra el molde abierto insertado en la cajera o placa portamoldes y dentro del sistema de inyección. A continuación, se ha realizado el ajuste del molde, la presión de cierre y ajuste del inyector de material.

Figura 19. Molde de bote en la inyectora

Durante la inyección, se produjo una rotura parcial en una de las paredes del bote tras 10 ciclos de inyección, concretamente en la zona que más sobresale. La causa de la rotura se debe posiblemente a un tratamiento térmico realizado que ha generado un molde más quebradizo. A pesar de no conseguir ninguna pieza, se ha considerado que este material posee potencial para inyección y sería adecuado realizar una posterior investigación en fusnión del sieño a obtener.

Validación del molde de la peonza

Se ha realizado la evaluación de los moldes de la figura de la peonza fabricados mediante sinterizado e impresión 3D polyjet. En la Figura 20 se muestran los resultados de inyección con PE elastomérico de uno de ellos. Este material ha permitido ajustar bien la presión de inyección y cantidad de material a inyectar y ver que el molde funciona correctamente, tanto con este material como también con otros materiales comerciales como polipropileno y materiales técnicos como ABS.

Figura 20. Inyección de polietileno elastomérico con el molde de la peonza fabricado por impresión 3D

polyjet

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En la Figura 21 se muestra una de las peonzas obtenidas con ABS donde se observa que ambas piezas encajan correctamente formando un producto adecuado, validando de esta forma el molde final prototipo.

Figura 21. Peonza de ABS fabricada por inyección con molde el prototipo de impresión 3D polyjet

Se obtuvieron un total de 20 inyectadas de material siendo 6 de polietileno elastomérico, 8 de polipropileno y 6 del material técnico ABS.

Para concluir, todas las peonzas se han evaluado de acuerdo a la norma EN-71-1 de seguridad física de juguetes [1] donde se ha observado que para cumplir la normativa (juguete para mayor de 36 meses) no debe tener bordes cortantes y por tanto habría que pulir/limar las zonas de unión del bebedero para asegurar que no se tienen bordes cortantes en estos puntos.

3. Medidas de información, publicidad y difusión realizadas.

En la tabla siguiente se incluye un resumen de las actividades de difusión realizadas con el impacto estimado, los cuales han generando un elevado impacto e interés entre los sectores involucrados:

Lanzamiento del proyecto

- Preparación de un texto de lanzamiento del proyecto y publicación en la web de AIJU, incluido el blog

Web de AIJU: 48.000 usuarios anuales (1’2% regional, 82% nacional y 10% Internacional)

- Cartel para difusión, expuesto en AIJU

Visitas: 38 nacional, 28 internacionales. Perfiles variados. Aprox.; empresas jugueteras (20%), industria auxiliar (33%), universidades (24%), asociaciones (11%), representante del CDTI (2%), estudiantes de FP (10%)

Desarrollo del proyecto y finalización del proyecto

- Publicación en el Boletín de AIJU

Recibido por unas 500 empresas de distintos sectores: De ellas, cerca de un 80% son de ámbito regional, un 17% de ámbito nacional y un 3% de ámbito internacional.

- Redes sociales de AIJU

526 usuarios de Facebook y unos 1.120 de Twitter.

- Participación en Congresos y jornadas

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unos 100 oyentes nacionales en la ponencia del Congreso del Calzado.

- Resultados en la memoria anual de AIJU

recibida por unas 1.000 empresas del sector y auxiliar. 80-90% de ámbito regional

- Difusión en cursos, visitas y jornadas técnicas de los centros

Visitas: 38 nacional, 28 internacionales. Perfiles variados. Aprox.; empresas jugueteras (20%), industria auxiliar (33%), universidades (24%), asociaciones (11%), representante del CDTI (2%), estudiantes de FP (10%)

- Prevista la presentación en el congreso Internacional MESIC 2017 y en la 1ª Jornada Técnica de Materiales para Impresión 3D CEP-PRINTED,

En los siguientes enlaces se puede acceder a los resultados de difusión:

http://www.aiju.info/proyectos/tecnologias-clave/fabricacion-y-procesos-avanzados/id-en-desarrollo-de-nuevos-materiales-y-procesos-de-additive-manufacturing-aplicacion-a-moldes-para-series-cortas-de-inyeccion

http://www.aiju.info/blog/noticias/moldes-prototipo-mediante-fabricacion-aditiva-para-series-cortas-de-inyeccion

https://www.facebook.com/AIJUInstitutotecnologicodeproduccioninfantilyocio/posts/

@AIJU_Tecnología

http://www.slideshare.net/Aiju1985/aiju-informa

http://www.diarioinformacion.com/elda/2016/10/07/congreso-nacional-calzado-afronta-retos/1814239.html

http://www.sif-mes.org/mesic2017/

http://www.cep-plasticos.com/cep-print3d/cepprinted.html