Dominando a Fundição de Poliuretano: Insights de Design para Protótipos Superiores

O serviço de fundição de poliuretano da 3ERP permite produzir pequenos lotes de peças plásticas a um custo muito menor do que a injeção. Esses protótipos de alta qualidade apresentam excelente acabamento superficial e podem servir como caminho para peças moldadas em produção em massa.

Muitos designers de produto, no entanto, não estão familiarizados com a fundição de poliuretano, que exige um conjunto único de considerações de design — tanto para a criação do modelo mestre quanto para as próprias peças fundidas. Projetar peças fundidas em poliuretano não é o mesmo que projetar para injeção, portanto os designers devem se familiarizar com o processo antes de iniciar seus modelos CAD.

Este artigo fornece informações sobre como projetar fundições de poliuretano. Aborda conselhos para design de features, analisa tolerâncias típicas da fundição de poliuretano e destaca as diferenças entre o design para fundição de poliuretano e para injeção.

O que é fundição de poliuretano?

Também conhecida como fundição a vácuo, a fundição de poliuretano é uma técnica de protótipagem e fabricação de baixo volume adequada para criar lotes de até 25 unidades. É o mesmo que fundição de uretano, um termo alternativo para o processo.

O processo de fundição de poliuretano compreende três etapas principais: fabricação do modelo mestre, fabricação do molde de silicone e fabricação das peças fundidas.

1. Modelo mestre: Utilizando um processo como usinagem CNC ou impressão 3D SLA, o designer cria um modelo mestre positivo das peças. Alternativamente, uma peça pré-existente, feita de praticamente qualquer material sólido que suporte temperaturas de 40 °C (para a etapa de cura do silicone), pode ser usada como padrão.
2. Molde: Uma caixa de fundição é metade preenchida com silicone líquido com o padrão no centro. O silicone é curado a baixa temperatura em forno por 16 horas até solidificar, formando a primeira metade do molde. Em seguida, o restante da caixa é preenchido com silicone líquido, que é curado para formar a segunda metade. As metades do molde são removidas e o padrão é guardado para uso futuro.
3. Fundição: Os moldes de silicone flexíveis são preenchidos com resina de poliuretano para fundição, que solidifica dentro do molde assumindo uma forma sólida idêntica ao modelo mestre original. O molde de silicone pode ser usado cerca de 25 vezes antes de precisar ser substituído.

A fundição de poliuretano é uma técnica valiosa porque os moldes de silicone são incrivelmente baratos de fabricar comparados a ferramentas metálicas. Eles duram apenas cerca de 25 fundições, mas isso geralmente é suficiente para prototipagem de peças plásticas pequenas.

Embora a fundição de resinas de poliuretano não produza peças funcionais resistentes, possui pontos fortes únicos, como excelente acabamento superficial, possibilidade de variedade de cores e transparências, e alta economia em baixos volumes.

Fabricação do modelo mestre

A primeira consideração do designer de produto durante o design para fundição de poliuretano é o modelo mestre. Técnicas comuns incluem impressão 3D (SLA, PolyJet, etc.) e usinagem CNC. Técnicas tradicionais de modelagem como escultura manual também podem ser usadas, embora com custo maior.

Ao usar um processo de fabricação digital como impressão 3D ou usinagem CNC, os designers devem considerar efetivamente as restrições de dois processos simultâneos: o processo de fabricação do padrão e a fundição, embora este artigo foque principalmente em dicas de design para fundição eficaz (em vez de impressão 3D ou usinagem CNC eficazes).

As vantagens da impressão 3D de modelos mestres de poliuretano são:

• Maior liberdade geométrica
• Mais rápida que usinagem CNC

As vantagens da usinagem CNC de modelos mestres são:

• Tolerâncias mais apertadas que impressão 3D
• Menos acabamento superficial necessário
• Vida útil maior que modelos impressos em 3D

Tolerâncias e dimensões

Ao projetar peças fundidas em poliuretano, os designers devem estar cientes das tolerâncias padrão e dimensões mínimas/máximas, que não são as mesmas da injeção.

No entanto, ao usar a fundição de poliuretano como técnica de protótipagem para futuras peças injetadas, pode fazer sentido criar um design que também possa ser injetado (incorporando ângulos de saída, etc.).

• Tolerância: A 3ERP produz peças de poliuretano com precisão de ± 0,3%, com limite inferior de ± 0,3 mm em dimensões menores que 100 mm.
• Retração: Peças grossas são mais suscetíveis à retração, que ocorre devido a mudanças de temperatura durante o processo. Os designers devem planejar uma taxa de retração de cerca de +0,15%.
• Tamanho da peça: Peças fundidas em poliuretano podem ter dimensões de até 1900 x 900 x 750 mm e volume máximo de 10 litros.

Espessura de parede

A espessura mínima de parede na fundição de poliuretano é 0,75 mm — adequada para preenchimento correto do molde, embora 1,5 mm ou mais produza os melhores resultados. Se paredes mais finas que 0,75 mm forem necessárias, entre em contato para discutir seu design.

Assim como na injeção, espessura de parede consistente leva a melhores resultados, pois diminui as chances de deformação induzida por temperatura. No entanto, espessura variada é menos prejudicial que na injeção.

Ângulo de saída (Draft)

Uma das vantagens da fundição de poliuretano é a flexibilidade dos moldes de silicone. Como os moldes são flexíveis, as peças fundidas podem ser facilmente removidas sem pinos ejetores. Isso também significa que o ângulo de saída — paredes cônicas que permitem fácil ejeção — não é necessário como na injeção.

Dito isso, um pequeno ângulo de saída de até 5° pode prolongar ligeiramente a vida útil do molde de silicone, sendo vantajoso em produções de médio volume em peças que não exijam paredes perfeitamente retas. Isso também torna o design mais adaptável à injeção (para escalonamento da produção).

Raio (Fillets)

Ao projetar peças de poliuretano, cantos internos agudos devem ser evitados para maximizar resistência e estabilidade. Recomenda-se adicionar filetes nos cantos internos com raio de 3 mm.

Note que usar usinagem CNC para fabricar o modelo mestre é ideal para adicionar filetes às peças fundidas, pois as ferramentas de corte CNC têm formato cilíndrico e criam cantos internos arredondados naturalmente ao usinar um bolso.

Nervuras (Ribs)

Para adicionar rigidez às peças fundidas sem aumentar a espessura de parede, os designers podem incorporar nervuras, que aumentam o momento de inércia. Geralmente, é melhor usar múltiplas nervuras curtas do que uma única nervura alta, e é importante orientá-las corretamente em relação a onde a peça poderia dobrar.

As nervuras devem ter grandes raios de canto e espessura inferior a 60% da espessura da parede para evitar retração e marcas de afundamento. A altura de cada nervura deve ser inferior a 3x sua espessura para evitar quebra.

Bosses (Protuberâncias para fixação)

Peças fundidas em poliuretano podem ter bosses — pequenas protuberâncias que acomodam fixadores ou inserts roscados. Esses bosses podem ser suportados por gussets ou nervuras de conexão.

Para evitar marcas de afundamento, a espessura da parede de um boss deve ser inferior a 60% da espessura da parede da peça (como nas nervuras). O raio da base do boss deve ser de pelo menos 25% da espessura da parede da peça.

Roscas e furos

A fundição de poliuretano pode acomodar furos passantes e roscas, melhor alcançados com o uso de inserts em vez de adicionados ao modelo mestre. No entanto, esses features complexos podem aumentar o custo do projeto e podem não ser necessários para protótipos.

Para furos passantes, pinos-guia podem ser colocados no molde de silicone. Para roscas, o ideal é incorporar inserts roscados metálicos via moldagem com inserts.

Juntas

A fundição de poliuretano pode produzir peças multi-componente com juntas tipo lingueta e ranhura. Um pequeno gap de folga deve ser incorporado na junta entre componentes.

Features superficiais

Features superficiais como textos e logotipos podem ser incorporadas nas peças fundidas. Em geral, esses features — especialmente em forma rebaixada (gravada) — são muito mais fáceis de adicionar usando modelos mestres usinados em CNC do que impressos em 3D.

Para melhores resultados, letras e números devem ter espaçamento mínimo de 1,3 mm entre si.