Transformando Prototipagem: O Poder da Ferramentaria Impressa em 3D

Quando discutimos o papel da impressão 3D no mundo da manufatura, frequentemente consideramos as maneiras pelas quais a manufatura aditiva poderia eventualmente substituir técnicas tradicionais. Na verdade, muitos desenvolvedores de hardware AM efetivamente comercializam suas máquinas como substituição direta para coisas como máquinas CNC ou sistemas de injeção plástica.

Mas a impressão 3D também pode ser usada para complementar tecnologias existentes como usinagem CNC, injeção plástica, fabricação de chapas metálicas, extrusão e fundição.

Isso porque sistemas AM — seja tecnologias industriais de metal como DMLS ou tecnologias de plástico como FDM ou SLS — podem ser usados para criar ferramentaria impressa em 3D para esses processos, acelerando e/ou melhorando a produção para entregar melhores resultados.

Este artigo analisa como a ferramentaria impressa em 3D está moldando o futuro da prototipagem e produção de baixo volume. Discute diferentes tipos de ferramentaria impressa em 3D, por que a ferramentaria impressa em 3D é útil, e quais materiais estão disponíveis.

Tipos de ferramentaria impressa em 3D

Ferramentaria é um termo guarda-chuva usado para descrever vários mecanismos de fixação, suporte ou conformação usados na manufatura. A ferramentaria para uma peça pode consistir em um ou vários componentes, e geralmente é feita de um material robusto como aço para ferramentas.

A impressão 3D pode ser usada para fazer vários tipos de ferramentaria. No entanto, alguns componentes são mais fáceis de fazer que outros, e alguns só podem ser fabricados usando equipamentos AM de ponta.

1. Moldes

Um molde é um tipo de recipiente oco que é preenchido com um material para fazer peças. A fabricação de moldes é tipicamente alcançada via usinagem, mas a impressão 3D — acoplada com materiais resistentes à temperatura — está se tornando uma opção viável para certas peças.

Moldes impressos podem requerer retífica de superfície extensiva ou outros tratamentos de superfície antes de estarem prontos para uso, mas a velocidade com que podem ser feitos está se tornando um grande benefício para empresas de prototipagem.

Segundo a empresa alemã de AM EOS, "A capacidade de produzir até as estruturas mais complexas em alta qualidade e com tempos de produção curtos significa que a impressão 3D ... oferece vantagens claras para a fabricação de moldes."

2. Dispositivos de fixação (Jigs)

Um dispositivo de fixação (jig) é um dispositivo de suporte de peça personalizado usado para melhorar a consistência das peças durante a manufatura. É tipicamente usado para guiar e controlar o movimento de uma ferramenta de corte.

Impressoras 3D estão se tornando cada vez mais úteis para fabricar itens personalizados como jigs e fixadores, já que o processo é barato para peças únicas.

Fabricantes de jigs e fixadores impressos em 3D também podem reduzir drasticamente os prazos de entrega — especialmente se a impressão ocorrer internamente.

3. Fixadores (Fixtures)

Um fixador (fixture) é um dispositivo de suporte de peça personalizado usado para segurar uma peça de trabalho durante a manufatura, tipicamente usinagem. Ao contrário dos jigs, as peças de trabalho geralmente são únicas para as peças sendo feitas, em vez do equipamento de manufatura.

Jigs e fixadores podem ser impressos em 3D em metal ou em plásticos de engenharia como TPU ou nylon reforçado com fibra de carbono.

4. Matrizes de extrusão (Extrusion dies)

Matrizes são chapas de aço grossas com aberturas moldadas. No processo de extrusão, um material é forçado através da abertura da matriz, criando uma peça longa com uma seção transversal que corresponde à abertura da matriz.

Como moldes, matrizes são tipicamente fabricadas em materiais resistentes à temperatura como aço, que estão se tornando mais fáceis de imprimir com processos como DMLS e SLM.

Vantagens da ferramentaria impressa em 3D

Canais de conformal cooling (resfriamento conformal)

Em processos como injeção plástica, canais de resfriamento são usados para injetar fluido refrigerante ao redor de um material fundido para que ele esfrie e endureça uniformemente. Isso ajuda a prevenir empenamento e deformidades na peça moldada.

Em moldes comuns, os canais são geralmente linhas retas devido à dificuldade de usinar formas mais complexas. Mas a impressão 3D permite a criação de canais de resfriamento conformais: canais que seguem os contornos da peça para que cada área da peça seja igualmente impactada pelo refrigerante.

Segundo o especialista em AM de metal Desktop Metal, "Peças com designs complexos e estruturas internas — como canais de resfriamento conformais para moldes personalizados — são idealmente adequadas para manufatura aditiva onde o tempo de fabricação e o custo por peça não são necessariamente dependentes da complexidade do design."

Fabricação rápida

A impressão 3D é um processo rápido, com tempo mínimo de configuração ou preparação requerido. Isso permite a produção rápida de ferramentaria — e para re-ferramentaria imediata se uma ferramenta quebrar ou requerer alteração.

Embora a ferramentaria impressa em 3D ainda esteja em sua infância e não seja favorecida pela maioria dos fabricantes (ou clientes), ela já está se tornando importante para prototipagem rápida, onde considerações de tempo de entrega são priorizadas sobre outros fatores.

A ferramentaria impressa em 3D terá um grande impacto no futuro da prototipagem simplesmente porque demonstravelmente acelera processos tradicionais de prototipagem.

Acessível e eficiente

A ferramentaria pode ser muito cara, especialmente se vários componentes forem necessários ou o design for especialmente complicado. A impressão 3D pode reduzir o custo da ferramentaria, já que um design complexo e intrincado pode ser fabricado quase tão rapidamente quanto um simples.

AM também é eficiente em termos de uso de material, já que não envolve cortar material de desperdício de uma peça de trabalho.

No final, qualquer alternativa que reduza drasticamente custos de uma etapa de prototipagem acabará desempenhando um papel cada vez maior no processo de prototipagem.

O fabricante de impressoras 3D Markforged diz que está "vendo fabricantes capazes de imprimir em 3D de 10 a 50% de sua ferramentaria durável usada em seu processo", o que representa "valor significativo quando se considera que a economia média de custo de uma peça impressa em 3D vs uma peça usinada é de 80%."

Pode ser usada para diferentes processos

A ferramentaria impressa em 3D pode ser usada para vários processos de manufatura únicos, incluindo:

• Fundição sob pressão (Die casting)
• Injeção plástica
• Extrusão
• Usinagem CNC
• Fabricação de chapas metálicas

Melhores materiais de AM para ferramentaria

Aço para ferramentas (Tool steel)

Aço para ferramentas é aço duro adequado para aplicações de manufatura exigentes. Por causa de sua dureza, leva muito tempo para usinar com precisão.

No entanto, algumas tecnologias de impressão 3D de metal podem imprimir o material, o que cria oportunidades para impressão 3D de itens como moldes de injeção. A empresa industrial de AM EOS produz uma gama de pós de aço para ferramentas imprimíveis em 3D, incluindo aço Maraging e aço para ferramentas 1.2709.

Inconel

Processos como DMLS e SLM podem ser usados para imprimir ferramentaria a partir de ligas de níquel Inconel. Inconel é resistente a altas temperaturas, tornando-o adequado para uma gama de aplicações de ferramentaria, incluindo moldagem e extrusão.

Compósitos

Compósitos como nylon reforçado com fibra de carbono ou PEEK podem servir como substituição para metais de alta resistência ao fazer ferramentaria impressa em 3D como jigs e fixadores.

Termoplásticos de engenharia

A empresa de impressão 3D Stratasys recomenda fazer certos jigs e fixadores de materiais FDM de alto desempenho como TPU, nylon reforçado ou ASA.

A 3ERP é uma especialista em prototipagem rápida com anos de experiência em usinagem, manufatura aditiva e outras disciplinas. Entre em contato para um orçamento gratuito.