Como a Impressão 3D Melhora a Fabricação de Moldes: Benefícios e Inovações

Tradicionalmente, os processos de produção mais utilizados na indústria foram classificados em dois grupos principais: manufatura subtrativa, representada principalmente pela usinagem CNC, e manufatura formativa ou por moldagem, representada pela injeção de plástico e fundição de precisão (lost wax). Ambos os grupos coexistiram até hoje, e a escolha de um ou outro dependia principalmente da complexidade da peça, do material escolhido ou do volume de fabricação.

Nos últimos tempos, na indústria abriu-se caminho um terceiro grupo até coexistir com os anteriores: manufatura aditiva ou impressão 3D. Exceto em casos muito específicos ou aplicações muito concretas, atualmente tanto a manufatura subtrativa como a aditiva e a formativa suportam um grande número de materiais comuns e são capazes de produzir peças altamente complexas. Por isso, muitas vezes o critério para selecionar um ou outro baseia-se principalmente no custo de produção.

Imagem 1: Curvas de custo unitário baseadas no volume de produção. Fonte: 3Dhubs.com

Em volumes de produção baixos ou médios, a moldagem não pode competir com a manufatura aditiva e a usinagem CNC, principalmente devido aos altos custos de depreciação do equipamento e à necessidade de moldes de alto custo. No entanto, quando se trata de fabricação em massa, a moldagem é a indiscutível líder.

A conformação por moldagem requer a fabricação de moldes para injeção, e negativos de cera sacrificiais no caso de fundição de precisão, que por sua vez também requerem moldes ou métodos CNC para a sua produção. E é por isso que a usinagem CNC continua a ser necessária mesmo nos processos de conformação por moldagem, já que tradicionalmente tem sido o método mais comum na produção de moldes reutilizáveis.

Imagem 2: Molde de injeção. Fonte: https://commons.wikimedia.org/

Imagem 3: Modelo de cera para fundição de precisão. Fonte: https://commons.wikimedia.org/

Mas o que a impressão 3D pode trazer à moldagem?

Fundição de Precisão (Investment Casting)

A fundição de precisão consiste em aplicar um revestimento cerâmico a um modelo de cera sacrificial e calciná-lo para obter o molde desta forma. É um processo amplamente utilizado na fabricação de componentes mecânicos de ferro fundido devido à sua alta precisão e ao facto de permitir a produção de formas altamente complexas.

A principal desvantagem deste processo é que o molde é destruído ao remover a peça, por isso é necessário criar um modelo de cera e um molde para cada peça.

Vídeo 1: Processo de fundição de precisão. Fonte: Niagara Investment Castings

Para produzir os modelos de cera, é necessário um molde permanente, geralmente usinado em alumínio por CNC. Isto significa que para baixos volumes de produção os custos dispararão. Outra alternativa é usar usinagem CNC para produzir os modelos de cera no caso de protótipos ou fabricação de poucas unidades, mas embora os custos sejam reduzidos, requer equipamento caro e tem certas limitações em peças complexas.

Aqui é onde a impressão 3D pode significar uma mudança de paradigma. Por um lado, o desenvolvimento de novos materiais fundíveis para impressão SLA e FDM permite substituir os modelos de cera tradicionais por modelos poliméricos impressos em 3D. Isto traz uma série de vantagens não só ao nível dos custos de produção dos modelos, mas também em economia de tempo e agilidade ao introduzir novos produtos ou corrigir defeitos. Além disso, os modelos fabricados por impressão 3D têm uma resistência muito superior à cera, minimizando a possibilidade de os quebrar ou causar defeitos durante o manuseio.

Hoje, praticamente todos os fabricantes de resinas têm materiais fundíveis de alta qualidade como a resina fundível da Formlabs ou a ZWax da Uniz. Isto fez com que a impressão 3D SLA substituísse em grande parte o uso de cera em setores como a joalharia, onde o uso de impressoras como a Form 3 é comum.

Imagem 3: Modelos de joalharia impressos em 3D para uso em fundição de precisão. Fonte: Formlabs

Apesar disso, noutros setores como a indústria, os modelos de cera continuam a ser comuns, talvez devido à necessidade de modelos grandes. Hoje, o aparecimento de impressoras 3D SLA de alto volume como a Form 3L ou UniZ zSLTV, bem como o desenvolvimento de filamentos fundíveis como o PolyCast, fazem com que a limitação de tamanho seja cada vez menor e que os setores industriais possam beneficiar das vantagens de substituir modelos 3D por modelos de cera.

Vídeo 2: Uso de Filamento Polycast. Fonte: Polymaker.

No entanto, a produção de modelos de cera também se rege pelo gráfico da Figura 1, chegando a um ponto onde o custo de fazer modelos de cera usando um molde é mais rentável que produzir os modelos por impressão 3D. E mesmo aqui, a impressão 3D tem muito a oferecer. A baixa temperatura de fusão da cera significa que os moldes tradicionais de alumínio ou aço podem ser substituídos por moldes impressos em 3D, com a significativa economia de custos económicos e temporais que isso acarreta.

Imagem 4: Form 3L. Fonte: Formlabs

Injeção de Plástico (Injection Molding)

A injeção de plástico é um processo de manufatura formativa em que plástico fundido é injetado num molde removível e deixado arrefecer e solidificar no seu interior.

Tradicionalmente, o uso de impressão 3D na fabricação de moldes de injeção foi considerado inviável. Isto deveu-se a duas razões principais: a baixa resistência térmica dos polímeros usados na impressão 3D e a rugosidade superficial inerente à impressão 3D SLS de metal.

Hoje a impressão 3D não pode substituir completamente os moldes usinados por CNC para injeção, no entanto o desenvolvimento de materiais de impressão 3D SLA com alta resistência térmica e mecânica abriu a porta ao uso de moldes impressos em 3D.

Um exemplo é a resina High Temp da Formlabs, capaz de suportar temperaturas de quase 300 ºC sob uma pressão de 0,45 MPa. As suas altas propriedades termo-mecânicas, juntamente com a alta resolução e excelente acabamento superficial da tecnologia SLA, tornam-na um material ideal para a fabricação de moldes.

Imagem 5: Molde de injeção feito por impressão 3D SLA. Fonte: 3Dhubs

Por isso a impressão 3D pode ser um excelente complemento na produção de moldes de injeção. Por um lado permite a produção de moldes económicos para séries curtas, e por outro ajuda a verificar o design dos moldes metálicos antes de os usinar. Isto último é de grande importância, pois corrigir um defeito num molde usinado requer processos de retificação e até a usinagem completa de um novo molde, o que leva a um aumento significativo de custos e atraso na produção.

Moldes de Silicone e Termoformados

Moldes de silicone e termoformados são moldes de uma peça amplamente utilizados em pastelaria, culinária, joalharia ou cosméticos.

Tratam-se de moldes muito económicos e de fabrico muito simples. São flexíveis ou semi-flexíveis para facilitar a desmoldagem, usados principalmente com materiais que não fundem ou fundem a baixa temperatura, como chocolate, resinas, cimentos, etc.

Imagem 6: Moldes de silicone. Fonte: wikipedia

Imagem 7: Molde termoformado. Fonte: Mayku

São talvez o tipo de molde mais comum e que todos usámos alguma vez, por exemplo para fazer cubos de gelo, chocolates ou muffins.

No entanto, o seu uso não se limita à pastelaria doméstica, mas são amplamente utilizados na joalharia para fazer componentes de joias em resina, ou em arte e decoração para produzir elementos em cimento e gesso.

Apesar de a sua fabricação ser muito simples, a única forma de fazer os moldes é ter um modelo original para usar como molde, e é aqui que a impressão 3D se torna útil.

A impressão 3D proporciona a capacidade de obter modelos personalizados, rápida e economicamente para usar como modelo na produção de moldes de silicone e termoformados. Isto, junto com a disponibilidade de equipamentos de termoformação económicos como o Mayku Formbox, torna possível para pequenas pastelarias, joalharias e artesãos produzirem os seus próprios moldes personalizados de forma simples e económica, dando valor acrescentado aos seus produtos.

Vídeo 3: Termoformação com Mayku Formbox. Fonte: Mayku

A impressão 3D não é apenas um recurso útil para reduzir custos em baixos volumes de produção, mas mesmo em grandes produções, onde o uso de moldes é essencial, a impressão 3D provou ser uma tecnologia muito útil que pode ajudar na sua fabricação ou em alguns casos até substituí-los.