Injeção de Baixo Volume: Guia Comprovado de Impressão 3D para Protótipos Econômicos

Embora a injeção de plástico seja tradicionalmente considerada um processo de manufatura apenas para produção em massa devido aos altos custos de ferramental, o uso de impressão 3D para fabricar moldes de injeção permite utilizar esse processo para produzir peças de alta qualidade e repetíveis para prototipagem e produção de baixo volume.

Neste guia abrangente, aprenda como usar moldes de injeção impressos em 3D com máquinas de bancada e industriais para produzir de forma eficiente e acessível centenas de protótipos funcionais e peças que aceleram o desenvolvimento de produtos, reduzem custos e prazos, e levam melhores produtos ao mercado.

Injeção de Baixo Volume vs. Injeção Tradicional

A injeção de plástico é um dos principais processos para manufatura de plásticos. É uma tecnologia econômica e extremamente repetível que produz peças de alta qualidade para produção em larga escala. Como resultado, é amplamente usada para produção em massa de peças idênticas com tolerâncias apertadas.

A injeção é um processo rápido e intensivo onde alto calor e pressão estão envolvidos para injetar material fundido dentro de um molde. O material fundido depende do escopo do projeto de manufatura. Os materiais mais populares são vários termoplásticos, como ABS, PS, PE, PC, PP ou TPU, mas metais e cerâmicas também podem ser injetados. O molde consiste em uma cavidade que acomoda o material fundido injetado e é projetada para espelhar fielmente as características finais da peça.

Os moldes são tradicionalmente feitos de metal por usinagem CNC ou eletroerosão (EDM). São métodos industriais caros que requerem equipamentos especializados, software de ponta e mão de obra qualificada. Como resultado, a produção de um molde metálico tipicamente leva de quatro a oito semanas e custa de $2.000 a $100.000+ dependendo da forma e complexidade da peça. Para quantidades menores de peças, o custo, tempo, equipamento especializado e mão de obra qualificada necessários para fabricar o molde de metais de ferramenta comuns e métodos de manufatura muitas vezes torna a injeção nessa escala inalcançável. No entanto, existem alternativas à usinagem de moldes em metal. Aproveitar a impressão 3D interna para fabricar moldes de injeção para prototipagem e produção de baixo volume reduz significativamente custo e tempo comparado a moldes metálicos, enquanto ainda produz peças de alta qualidade e repetíveis.

Neste vídeo, fizemos parceria com o provedor de serviços de injeção Multiplus para guiá-lo pelas etapas do processo de injeção usando moldes impressos em 3D.

A impressão 3D desktop é uma solução poderosa para fabricar moldes de injeção rapidamente e a baixo custo. Requer equipamento muito limitado, economizando tempo de CNC e operadores qualificados para outras tarefas de alto valor. Fabricantes podem se beneficiar da velocidade e flexibilidade da impressão 3D interna para criar o molde e acoplá-lo à força de produção da injeção para entregar uma série de unidades de termoplásticos comuns em questão de dias. Eles podem até alcançar formas de molde complicadas que seriam difíceis de fabricar tradicionalmente e podem ser usadas tanto em máquinas de moldagem de bancada quanto industriais, permitindo que equipes de desenvolvimento sejam mais inovadoras. Além disso, o desenvolvimento de produtos beneficia-se da capacidade de iterar no design e testar o material de uso final antes de investir em ferramental duro.

Mesmo que a impressão 3D de moldes possa oferecer essas vantagens quando usada apropriadamente, ainda existem algumas limitações a serem consideradas. Não devemos esperar o mesmo desempenho de um molde polimérico impresso em 3D que de um usinado em metal. Dimensões críticas são mais difíceis de atingir, o tempo de resfriamento é maior porque a transferência térmica ocorre mais lentamente no plástico, e moldes impressos podem quebrar mais facilmente sob calor e pressão. No entanto, empresas da indústria continuam a implementar moldes impressos em 3D em seus fluxos de trabalho de injeção de curto prazo, permitindo-lhes produzir rapidamente centenas a milhares de peças. Desde projetar protótipos funcionais com materiais de uso final, fabricar peças durante produção piloto, ou manufaturar peças de baixo volume ou personalizadas, a impressão 3D de moldes de injeção é uma forma econômica e rápida de produzir peças em quantidades limitadas.

A tecnologia de impressão 3D estereolitografia (SLA) é uma ótima escolha para moldagem. Caracteriza-se por acabamento de superfície suave e alta precisão que o molde transfere para a peça final e que também facilita a desmoldagem. Impressões 3D produzidas por estereolitografia são quimicamente ligadas de forma que são totalmente densas e isotrópicas, produzindo moldes funcionais com qualidade não possível com impressão 3D por modelagem por deposição fundida (FDM). Impressoras SLA desktop, como as oferecidas pela Formlabs, podem ser integradas perfeitamente a qualquer fluxo de trabalho de injeção, pois são fáceis de implementar, operar e manter.

Um núcleo de molde de injeção impresso em 3D montado com uma estrutura de molde metálica.

Como alternativa para produção de médio volume de cerca de 500 a 10.000 peças, a usinagem de moldes em alumínio também pode reduzir os custos fixos associados à fabricação de moldes. Usinar alumínio é cinco a dez vezes mais rápido que aço e causa menos desgaste no ferramental, o que significa prazos de entrega mais curtos e custos menores. O alumínio também conduz calor mais rápido que o aço, resultando em menos necessidade de canais de resfriamento e permitindo que fabricantes simplifiquem designs de moldes mantendo tempos de ciclo curtos.

Para resumir, aqui está uma visão geral dos diferentes métodos de injeção e os tipos de molde que resultam no processo mais eficiente e menor custo por peça dependendo do volume de produção:

	Injeção de Baixo Volume	Injeção de Médio Volume	Injeção de Alto Volume
Método	Produção interna de molde e moldagem	Produção terceirizada de molde e moldagem	Produção terceirizada de molde e moldagem
Equipamento necessário	Impressora 3D, máquina de injeção desktop	-	-
Molde	Polímero impresso em 3D	Alumínio usinado	Aço usinado
Custo do molde	<$100	$2.000 - $5.000	$10.000 - $100.000
Prazo para peças finais	1-3 dias	3-4 semanas	4-8 semanas
Volume de produção ideal	<500	500 - 10.000	5.000+
Aplicações	Prototipagem rápida Injeção personalizada Injeção de curto prazo	Injeção de curto prazo	Produção em massa

O tipo de prensa de injeção não tem influência significativa no processo para injeção de baixo volume; máquinas industriais grandes de injeção tradicionais também podem ser usadas com moldes de injeção impressos em 3D. No entanto, essas máquinas são caras, têm requisitos rigorosos de instalação e requerem mão de obra qualificada, e como resultado, a maioria das empresas terceiriza produção de médio e alto volume para provedores de serviços e fabricantes contratados.

Se você é novo na injeção e está procurando testá-la com investimento limitado, usar uma máquina manual de injeção de bancada como a Holipress ou a Galomb Model-B100 pode ser uma boa opção. Equipamentos automatizados de injeção de pequena escala como a Micromolder desktop ou a máquina hidráulica Babyplast 10/12 são boas alternativas para produção em série média de peças pequenas.

Curioso para aprender sobre os diferentes fatores que compõem o custo total de injeção? Leia nosso guia abrangente.

White Paper

Injeção Rápida de Baixo Volume com Moldes Impressos em 3D

Baixe nosso white paper para diretrizes sobre o uso de moldes impressos em 3D no processo de injeção para reduzir custos e prazos e veja estudos de caso reais com Braskem, Holimaker e Novus Applications.

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Fluxo de Trabalho Passo a Passo para Injeção de Baixo Volume

O fluxo de trabalho para injeção de baixo volume inclui as seguintes sete etapas:

1. Design do Molde

Projete o molde para sua peça no software CAD de sua preferência. Observe regras comuns de design para manufatura aditiva e design de moldes de injeção. Recomendações de design específicas para moldes impressos em 3D de polímero podem ser encontradas em nosso whitepaper.

Carregue seu design no PreForm, software de preparação de impressão da Formlabs. Prepare sua impressão e envie para sua impressora 3D Formlabs.

2. Impressão 3D do Molde

Escolha um material de impressão 3D e inicie sua impressão. Resina Rigid 10K a 50 mícrons de altura de camada é uma escolha ideal para a maioria dos designs de molde, pois combina alta resistência, rigidez e resistência térmica.

Quando possível, recomenda-se imprimir o molde plano, diretamente na plataforma de construção sem suportes, para reduzir empenamento.

Após lavagem e pós-cura, seu molde impresso em 3D está pronto para ser integrado ao seu processo de injeção.

3. Montagem do Molde

Antes da montagem, você pode optar por finalizar o molde para atender dimensões críticas com lixamento manual, usinagem desktop ou CNC.

Recomenda-se colocar o molde impresso dentro de uma estrutura metálica padrão, ou uma Master Unit Die, para suportar contra altas pressões e estender a vida útil do seu molde impresso. Monte cuidadosamente o molde impresso em 3D dentro da estrutura metálica. Adicione pinos ejetores, inserts, peças de ação lateral e outros componentes conforme necessário.

Instale o molde montado em sua máquina de injeção.

4. Fechamento do Molde

Insira os grânulos de plástico, insira as configurações necessárias e inicie a produção. Uma força de fechamento menor é sugerida, particularmente se o molde impresso não for protegido por uma estrutura metálica.

Uma ampla gama de termoplásticos pode ser injetada com moldes impressos em 3D, como TPE, PP, PE, ABS, POM, ASA, PA, PC ou TPU.

5. Injeção

Pode levar algumas injeções para identificar suas condições ideais de processo, pois muitos fatores estão em jogo, incluindo geometria da peça, escolha do plástico, temperaturas e pressões de injeção, e outros parâmetros.

Reduza a pressão e temperatura de injeção o máximo possível.

Com um molde impresso, usuários da Formlabs geralmente injetam centenas de peças em plásticos fáceis de processar como TPE, PP e PE com temperaturas até 250°C. Com plásticos que requerem temperatura de injeção mais alta como PA ou PC, o molde impresso em 3D pode ter vida útil mais curta.

Leia nossa documentação de condições de processo para ver resultados de testes com máquinas de injeção desktop e industriais.

6. Resfriamento

O tempo de resfriamento de um molde polimérico impresso é maior que o de um molde metálico, pois a transferência térmica ocorre mais lentamente no plástico que no metal. Como tal, adicionar canais de resfriamento ao seu molde impresso geralmente não é sugerido.

Em vez disso, o resfriamento pode ser acelerado aplicando ar comprimido para resfriar o molde, ou usando pilhas intercambiáveis.

7. Desmoldagem

Desmolde a peça manualmente ou automaticamente com pinos ejetores. Aplique um agente desmoldante para termoplásticos de alta viscosidade. Desmoldantes estão amplamente disponíveis e desmoldantes à base de silicone, como produtos Slide ou Sprayon, são compatíveis com Resinas Formlabs.

Aplicações de Injeção de Baixo Volume

As três principais aplicações para injeção de baixo volume são prototipagem rápida, injeção de curto prazo e injeção sob demanda ou personalizada.

Prototipagem Rápida com Injeção

A prototipagem rápida ajuda empresas a transformar ideias em provas de conceito realistas, avançar esses conceitos para protótipos de alta fidelidade que parecem e funcionam como produtos finais, e guiar produtos através de uma série de estágios de validação rumo à produção em massa.

Em geral, a impressão 3D é a forma mais comum de produzir protótipos rápidos. No entanto, nos estágios finais do processo de desenvolvimento, muitas vezes há necessidade de produzir volumes ligeiramente maiores de protótipos idênticos usando os mesmos materiais e processos de produção das peças finais. Esses protótipos podem então ser usados para aplicações como testes beta e de campo. Combinar moldes impressos em 3D com injeção permite que fabricantes desenvolvam protótipos funcionais de forma rápida e eficiente e acelerem o processo de desenvolvimento de produtos.

Por exemplo, a startup francesa Holimaker desenvolve uma máquina de injeção manual que permite engenheiros e designers de produtos processar peças plásticas em suas mesas em baixas quantidades para protótipos, produção piloto, ou até uma série limitada de peças de uso final.

A empresa oferece estudos de viabilidade para seus clientes, usando moldes impressos em 3D para um retorno rápido e acessível. Isso permite que seus clientes prototipem designs rapidamente e validem condições de manufatura finais durante a fase de produção piloto de introdução de novo produto.

Pré-produção de protótipos destes cravos de futebol foram injetados em moldes impressos em 3D usando três termoplásticos diferentes, POM (180°C), PA 6.6 (270°C), PP (210°C).

Ao usar o mesmo método de manufatura incluindo design de molde e materiais, essas peças podem ser testadas em campo e garantir que os designs estão prontos para serem produzidos em escala. Os designs de moldes impressos em 3D podem então ser facilmente adaptados para aço de grau de ferramental durante a produção em massa.

Usando moldes impressos em 3D, a Holimaker conseguiu reduzir o prazo para produzir moldes para o processo de injeção para 24 horas e usa moldes de injeção impressos em 3D em 80% a 90% de seus projetos hoje.

Injeção de Curto Prazo

A injeção de curto prazo fornece aos fabricantes um meio de produzir séries menores de peças de uso final para produtos que são produzidos apenas em quantidades limitadas ou fabricar uma série piloto de um produto para testar o mercado antes de investir muito capital no empreendimento.

Usar injeção de baixo volume oferece a oportunidade de manufaturar peças de uso final precisas e repetíveis sem os altos custos fixos associados à injeção tradicional.

A Multiplus é uma provedora de soluções de injeção baseada em Shenzhen que cobre todo o ciclo de produção desde design até manufatura de produtos plásticos e fornece serviços a mais de 250 clientes por ano, incluindo algumas empresas Fortune 500. Alguns desses clientes requerem produção em pequenos lotes, que é tradicionalmente cara e demorada com injeção devido à complexidade da fabricação de ferramental duro.

Caixas de controle ABS recém-injetadas usando moldes de injeção impressos em 3D.

À medida que a demanda por produção em pequenos lotes começou a crescer, a Multiplus recorreu à impressão 3D para explorar diferentes materiais na tentativa de encontrar uma forma econômica de produzir moldes plásticos mais baratos para pedidos menores e execuções de produção piloto. Fabricar moldes de injeção de baixo volume com impressoras 3D Formlabs reduziu custos, mão de obra e tempo comparado à usinagem de moldes de alumínio, e pôde ser usado perfeitamente com suas máquinas industriais de injeção Babyplast.

Injeção Sob Demanda ou Personalizada

Injeção personalizada ou rápida sob demanda pode ser necessária para fabricar peças de uso final customizadas para propósitos específicos, como fatores humanos, aplicação ou ocasião, muitas vezes em prazo acelerado. O volume limitado e/ou prazo curto significa que injeção tradicional com ferramental duro não é nem eficiente nem viável. Nesses casos, injeção de baixo volume com moldes impressos em 3D é uma solução ideal para acelerar o processo e entregar peças personalizadas.

O exemplo da Braskem, uma das maiores empresas petroquímicas do mundo, destaca o caso para uso de moldagem impressa em 3D para atender pedidos rápidos sob demanda. Durante a primeira onda da pandemia de COVID-19, a empresa precisou produzir milhares de tiras de máscara para proteger sua força de trabalho global. A Braskem identificou a injeção como o método ideal para produzir as peças, mas sem acesso à impressão 3D, teriam que terceirizar um molde metálico caro, custando à equipe dinheiro e tempo valioso.

A Braskem usou um molde impresso em 3D em combinação com uma máquina industrial de injeção tradicional para injetar rapidamente as tiras de máscara.

A equipe da Braskem recorreu à injeção usando uma impressora 3D Formlabs Form 3 para imprimir o molde para suas tiras e a máquina de injeção Cincinnati Milacron 110 Ton Roboshot totalmente elétrica para desenvolver as tiras.

Aproveitando a impressão 3D, a equipe estava produzindo milhares de tiras dentro de uma semana após receber o e-mail do VP e preparando-as para envio a escritórios ao redor do mundo.

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