Moldes de injeção impressos em 3D:materiais comparados

Introdução

O uso de processos de impressão 3D para criar ferramentas de uso final está se tornando cada vez mais comum à medida que os recursos das tecnologias aumentam.

Neste artigo, focamos em uma aplicação específica de ferramental:moldagem por injeção de baixa tiragem. Uma extensa revisão das aplicações da impressão 3D nesta área pode ser encontrada aqui. Neste artigo, comparamos dois materiais populares que são usados ​​atualmente na indústria para fabricação de moldes de injeção.

A moldagem por injeção é uma aplicação altamente exigente para um material impresso em 3D, pois os moldes precisam suportar as forças de processamento a uma temperatura elevada e manter sua precisão dimensional em várias execuções. Os moldes de injeção impressos em 3D são mais adequados para:

Tempos de resposta rápidos (1 a 2 semanas em vez de 5 a 7 semanas).
Aplicações onde as quantidades de produção são baixas (50 - 100 peças).
Projetos de molde em que alterações ou iterações são prováveis.
Peças relativamente pequenas (menos de 150 mm).

Requisitos de materiais para fabricação de moldes

Um material de impressão 3D adequado para fabricação de moldes de injeção deve ter:

• Alta rigidez: Os moldes devem manter sua boa precisão dimensional em várias corridas e suportar as altas pressões durante a injeção do material sem deformar.
  
• Resistência a altas temperaturas: Uma alta temperatura de deflexão de calor (HDT) é crucial, não apenas para garantir que o molde não falhe durante a injeção do material, mas também para permitir um controle mais preciso do processo.
  
• Alto nível de detalhes: Os moldes de injeção devem ter alta precisão dimensional e uma superfície lisa. Moldes de alta precisão produzirão peças de alta precisão.
  
  

Os dois processos de impressão 3D que são capazes de produzir peças altamente precisas e suaves (sem pós-processamento extensivo) são Material Jetting e Stereolithography (SLA). Embora o Material Jetting seja um processo exclusivamente industrial, existem sistemas SLA de desktop e industriais. Os materiais disponíveis e os recursos de produção das impressoras 3D SLA de desktop não são viáveis ​​para produção de ponta, portanto, eles não serão discutidos aqui.

Neste artigo focamos em dois materiais comprovadamente adequados para a fabricação de moldes de injeção de baixa tiragem em ambiente industrial:o Digital ABS plus para Material Jetting da Stratasys e o Somos PreFORM para SLA da DSM.

Isenção de responsabilidade: as propriedades do material listadas abaixo são fornecidas pelos fabricantes e correspondem a peças que realizaram o processo de pós-cura térmica ideal.

Comparação de materiais

Propriedades mecânicas - Rigidez

Somos PerFORM possui uma resistência à tração e flexão muito alta, não apenas quando comparado ao ABS Digital, mas também entre todos os outros materiais de impressão 3D industrial (por exemplo, nylon SLS). No entanto, é mais frágil (baixo alongamento na ruptura) e tem menor resistência ao impacto. Para a fabricação de moldes, as propriedades mecânicas do Somos PerFORM são preferíveis, pois alta rigidez e resistência são os principais requisitos.

	ABS Digital Plus	Somos PERFORM
Resistência à tração	55 - 60 MPa	80 MPa
Módulo de tração	2600 - 3000 MPa	9800 MPa
Alongamento na ruptura	25 - 40%	1,2%
Resistência à flexão	65 - 75 MPa	146 MPa
Módulo de flexão	1700 - 2200 MPa	9030 MPa
Izod impact (entalhado)	90 - 115 J/m	20 J/m
Dureza (shore D)	85 - 87	93

Propriedades térmicas - Resistência à temperatura

Temperatura de Deflexão de Calor (HDT) indica a temperatura na qual um polímero se deforma sob uma determinada carga. A temperatura de transição vítrea (Tg) é a região de temperatura onde o material termofixo transita de um estado sólido "vítreo" para um estado "emborrachado" mais flexível. Para aplicações de moldagem por injeção, valores altos de HDT e Tg são preferíveis, então o Somos PerFORM supera novamente o Digital ABS.

	ABS Digital Plus	Somos PERFORM
HDT (@ 0,46 MPa) *	92 - 95°C	268°C
Temperatura de transição vítrea (Tg)	47 - 53°C	81°C

^{*:após o pós-processamento térmico} ### Processo de impressão 3D - Nível de detalhe {#detail}Digital ABS e Somos PerFORM são utilizados em diferentes processos de impressão 3D. As capacidades de um típico Material Jetting e de um sistema SLA industrial típico estão descritos na tabela abaixo. Ambas as tecnologias podem produzir peças muito suaves com detalhes intrincados e requerem pouco pós-processamento. O Digital ABS tem uma pequena vantagem sobre o Somos PerFORM em relação ao nível de detalhes, pois o Material Jetting tem a maior precisão dimensional entre todas as tecnologias de impressão 3D (com SLA em segundo lugar).

	ABS Digital Plus	Somos PERFORM
Processo	Jato de materiais	SLA industrial
Precisão dimensional típica	± 0,1% (limite inferior de ± 0,05 mm)	± 0,15% (limite inferior ± 0,05 mm)
Tamanho mínimo do recurso	0,05 mm	0,10 mm
Espessura mínima da parede	0,6 mm	0,8 mm
Altura mínima da camada	14 - 16 mícrons	25 - 50 mícrons

Recursos de produção

Tanto o Digital ABS quanto o Somos PerFORM têm sido usados ​​em ambientes industriais para produzir moldes de injeção de baixa tiragem. A tabela abaixo resume o número de peças que um único molde pode produzir usando materiais considerados "fáceis" e "difíceis" de moldar (PP e PA preenchidos com fibra de vidro, respectivamente).

As diferenças nas propriedades mecânicas e térmicas dos dois materiais têm impacto no número total de peças que um molde pode produzir. Em condições normais de operação (após as primeiras 3-4 execuções), o molde impresso em 3D atingirá uma temperatura de aproximadamente 120 ^o C, à medida que é aquecido a partir do material fundido. Uma boa estabilidade térmica é crucial para minimizar a deterioração do molde. As amostras de teste PA GF da imagem abaixo foram produzidas usando projetos de molde idênticos que impressos em 3D nos dois materiais (ambos mostram a peça produzida após a 10ª execução). A qualidade da peça produzida com o molde Digtal ABS é bem inferior, pois o molde começou a superaquecer e se deteriorar, enquanto o molde Somos PerFORM ainda estava estável.

	ABS Digital Plus †	Somos PERFORM ‡
Peças em material "fácil" *	50 - 100	100 - 200
Peças em material "difícil" **	5 - 30	30 - 50

^{* Polipropileno (PP)
** Poliamida preenchida com fibra de vidro (PA GF)
† Fonte:Promoção
‡ Fonte:Wehl &Partner}

Resumo e conclusões

A moldagem por injeção é uma aplicação de ferramentas muito exigente:o material deve ter alta rigidez e deve ser capaz de operar em temperaturas elevadas.

Material Jetting e SLA são os únicos processos de impressão 3D que podem produzir peças com precisão dimensional e acabamento superficial necessários para aplicações industriais. Comparamos dois materiais (um para cada processo) que são usados ​​para fabricar moldes de injeção de baixa tiragem impressos em 3D.

Embora o Digital ABS plus seja um excelente material para a maioria das aplicações funcionais, a maior rigidez e as propriedades térmicas superiores do Somos PerFORM o tornam mais adequado para a fabricação de moldes. Isso fica evidente pelo número de peças que cada molde fabricado com os dois materiais pode produzir.

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Regras gerais

• Se for necessária uma precisão muito alta e um acabamento de superfície liso, o Material Jetting e o SLA são os processos de impressão 3D mais adequados para a fabricação de moldes.
  
• Para manter sua precisão em várias execuções, os materiais de impressão 3D para fabricação de moldes de injeção devem ter alta rigidez.
  
• Um HDT alto permite o uso de temperaturas de molde mais altas durante o processamento.