Moldes de injeção impressos em 3D:uma visão geral abrangente de design, benefícios e aplicações

Os moldes impressos em 3D para moldagem por injeção estão se tornando cada vez mais populares na indústria de manufatura. É um ótimo complemento ao portfólio de processos de moldagem por injeção e oferece uma alternativa competitiva aos materiais tradicionais de moldes de injeção.

Neste artigo, vamos nos aprofundar no que é um molde de injeção impresso em 3D e seus tipos, benefícios e limitações. No final, também compartilhamos algumas dicas e truques úteis para designers e engenheiros de moldes. Vamos começar!

O que é um molde de injeção?

Os moldes de injeção são indiscutivelmente o componente mais importante nas configurações de moldagem por injeção. O molde é um conjunto de múltiplas peças com uma cavidade em seu interior que é uma réplica exata da geometria final do produto.

Um sistema de injeção bombeia a matéria-prima fundida para esta cavidade, onde ela esfria para assumir sua forma final. Depois, um mecanismo de injeção, que também fica dentro do molde, ejeta a peça final. Conseqüentemente, o molde de injeção tem o propósito principal de dar forma à peça e também ejetá-la.



Existem inúmeras propriedades que um molde de injeção de alta qualidade deve possuir. Deve ter boa estabilidade térmica para minimizar a expansão térmica, alta resistência para suportar as pressões de fixação e boa resistência ao desgaste para maior durabilidade.

Molde de impressão 3D versus molde de alumínio

Convencionalmente, o alumínio tem sido a escolha de material padrão para a fabricação de moldes de injeção de produção de baixo a médio volume. No entanto, os moldes impressos em 3D para moldagem por injeção estão ganhando força rapidamente devido a inúmeros benefícios, como economia de custos e flexibilidade de design.

A principal diferença entre um molde impresso em 3D e um molde de alumínio é a forma como são feitos. O principal processo de fabricação de moldes de alumínio é a usinagem CNC. Os moldes impressos em 3D, por outro lado, são feitos a partir de impressão 3D, é claro.

Pode parecer uma diferença trivial mas é, na verdade, bastante significativa e exige uma discussão sobre molde de impressão 3D vs. molde de alumínio.



No entanto, primeiro, vamos examinar os dois tipos principais de moldes de injeção impressos em 3D.

Molde reforçado com estrutura metálica

Este tipo de molde de injeção empresta elementos de moldes de alumínio e moldes impressos em 3D. A estrutura interna básica, incluindo a cavidade e os canais, é impressa em 3D. Esta impressão 3D é então encaixada dentro de uma estrutura de alumínio para melhor estabilidade e durabilidade.

O reforço da estrutura de alumínio permite pressões de moldagem mais elevadas e prolonga a vida útil do molde. Os engenheiros também podem substituir facilmente os componentes do molde impresso em 3D em caso de alterações no projeto ou desgaste.

Moldes independentes

Os moldes independentes são feitos inteiramente por impressão 3D. À medida que a impressão 3D se torna mais robusta muito rapidamente, o molde de impressão 3D independente está ganhando popularidade na indústria de moldagem por injeção.

Uma grande vantagem dos moldes independentes é que os engenheiros obtêm flexibilidade adicional de projeto para recursos como canais de injeção, portas, etc.

Benefícios dos moldes de injeção impressos em 3D

Os moldes impressos em 3D para moldagem por injeção desfrutam de inúmeros benefícios em relação aos seus equivalentes metálicos. Destacaremos algumas das principais vantagens da utilização de um molde impresso em 3D.

Econômico

Não é segredo que a gestão de custos é uma grande parte da produção eficiente. Um molde impresso em 3D é significativamente mais barato que os moldes de metal.

As máquinas-ferramentas CNC são muitas vezes caras e requerem manutenção dispendiosa. As impressoras 3D, por outro lado, são máquinas mais baratas e fáceis de manter. O custo das matérias-primas para impressão 3D também é inferior ao dos metais moldados por injeção.

Os custos trabalhistas também diferem para ambos os métodos. As máquinas CNC são equipamentos complexos e requerem um maquinista qualificado para operá-las. As impressoras 3D, embora não sejam um passeio no parque, são ainda mais acessíveis a um grupo mais amplo de técnicos.

Economia de tempo

Outro aspecto importante da alta produtividade na fabricação é o gerenciamento do tempo. Uma grande vantagem de usar um molde impresso em 3D em comparação com um molde de alumínio é a notável economia de tempo durante o processo de fabricação do molde.

A usinagem CNC é um processo demorado, às vezes levando até uma semana para fabricar totalmente um molde de injeção complicado. O processo de impressão 3D é muito mais rápido e possui menos etapas do que a usinagem. O tempo médio de fabricação do molde é da ordem de algumas horas, dando aos moldes impressos em 3D uma vantagem óbvia.

Flexibilidade de projeto

A impressão 3D é conhecida por sua capacidade de prototipagem rápida. É rápido, barato e permite que os engenheiros testem várias iterações de projeto.

A mesma lógica se estende aos moldes de impressão 3D para moldagem por injeção. Os projetistas de moldes podem erradicar rapidamente qualquer erro ou falha no projeto do molde. Além disso, também é muito conveniente incorporar melhorias de produto na linha de produção – basta uma simples reimpressão.

Este tipo de liberdade de design não é acessível com a usinagem CNC, onde até mesmo uma única produção pesa no orçamento.

Adequado para moldagem por injeção de baixo volume

Os moldes impressos em 3D são adequados para iniciativas de produção de baixo volume. Como discutiremos em breve, embora possuam propriedades mecânicas notáveis, tendem a desgastar-se mais rapidamente do que os seus homólogos metálicos ao longo do tempo.

Isso os torna ideais para séries de produção onde um número pequeno a médio de peças é fabricado. Nessas configurações, investir em um molde de metal caro é ineficiente, pois o molde permanece subutilizado no final da produção.

Além disso, a produção de baixo volume, em média, envolve mais desenvolvimento e testes de produtos. O design pode mudar no meio da produção se uma atualização for necessária ou se um erro for encontrado. Neste cenário, um molde de impressão 3D é ideal, pois a atualização é econômica e economiza tempo.

Limitações dos moldes de injeção impressos em 3D

Prós e contras andam de mãos dadas. Portanto, esta discussão ficará incompleta se ignorarmos as desvantagens de um molde de injeção para impressão 3D.

Baixa integridade estrutural

A impressão 3D está progredindo muito rapidamente, mas ainda fica atrás dos processos de fabricação convencionais, como a usinagem CNC, em alguns aspectos. Possui vários problemas de qualidade inerentes, como porosidade e falta de ligação, que diminuem a integridade estrutural dos moldes impressos em 3D para moldagem por injeção.

Geralmente, um molde impresso em 3D tem menor resistência, dureza e resistência ao desgaste (daí a necessidade de reforços de alumínio). Eles tendem a falhar sob temperaturas e pressões extremas, que às vezes são necessárias para obter produtos de moldagem por injeção de alta qualidade.

Como resultado, em alguns casos, os moldes impressos em 3D não são um substituto adequado para os moldes de alumínio fundido/forjado.

Desgaste da superfície

Os moldes impressos em 3D para moldagem por injeção não são tão resistentes ao desgaste quanto os moldes de metal. A qualidade de sua superfície se deteriora mais rapidamente do que o alumínio sob as altas temperaturas e pressões da moldagem por injeção. Isso também se traduz na superfície do produto.

Além disso, os moldes de impressão 3D são um processo de fabricação camada por camada. Devido a isso, os moldes de injeção impressos em 3D têm um padrão de superfície ondulado (também conhecido como efeito de escada) que aumenta a rugosidade da superfície das peças moldadas por injeção.

Uma solução comum é usar métodos de acabamento superficial como lixamento, retificação ou tratamento químico para melhorar a qualidade da superfície do molde. No entanto, é um desafio realizar estas operações num molde pequeno e com geometria complexa, o que é frequentemente o caso dos moldes impressos em 3D.

Longo ciclo de produção

O tempo de resfriamento compreende uma grande parte do ciclo de produção de moldagem por injeção. Como os metais geralmente têm maior condutividade térmica do que os materiais plásticos usados ​​para moldes impressos em 3D, leva mais tempo para a matéria-prima fundida solidificar quando dentro de um molde impresso em 3D do que no molde de alumínio.

Devido a isso, aconselhamos os engenheiros de moldes a calcular o tempo de resfriamento esperado para seus projetos de moldes de injeção antes de decidir sobre o processo de fabricação.

Encolhimento e empenamento

Encolhimento e empenamento são dois defeitos comuns de impressão 3D que afetam a qualidade de um molde de injeção impresso em 3D. Os plásticos são muito sensíveis ao calor e tendem a deformar-se (empenar) durante a moldagem por injeção.

À medida que o próprio molde se deforma, o formato de sua cavidade muda, afetando as dimensões finais da peça.

Na maioria dos casos, os projetistas de moldes conseguem mitigar esse problema incorporando tolerâncias de contração adequadas em seus moldes. No entanto, no caso de moldes impressos em 3D, estas tolerâncias são difíceis de prever devido ao comportamento não uniforme das estruturas impressas em 3D.

Dicas e truques para moldes de injeção impressos em 3D

Esperamos que as informações acima sobre moldes de injeção impressos em 3D para moldagem por injeção tenham acrescentado ao seu conhecimento sobre o assunto.

Nesta seção, compartilharemos algumas dicas e truques úteis de nossos especialistas em design que ajudarão você a melhorar suas habilidades de design de moldes.

Melhore a condutividade térmica com materiais de composição

A alta condutividade térmica melhora o tempo de resfriamento na moldagem por injeção. Vários aditivos que aumentam a condutividade estão disponíveis no mercado, como grafeno, nitreto de boro, cargas metálicas (pó de cobre, flocos de alumínio), etc.

Revestimento de superfície

A baixa resistência ao desgaste é uma grande desvantagem dos moldes de impressão 3D. Revestimentos de superfície apropriados, como metal ou cerâmica, são bastante úteis para melhorar as propriedades de superfície de moldes de injeção impressos em 3D.

Evite estruturas de suporte em faces internas críticas

A maioria das técnicas de impressão 3D utiliza estruturas de suporte para sustentar a peça durante a impressão. Eles deixam uma marca na peça após a retirada do técnico de acabamento. Tome cuidado para não deixar nenhuma dessas estruturas de suporte nas faces que formam a cavidade do molde, pois suas sobras também aparecerão na peça.

Diminua a espessura da camada e a velocidade de impressão para um melhor acabamento superficial

O acabamento superficial de um molde impresso em 3D depende da espessura da camada e dos parâmetros de velocidade de impressão da impressora 3D. Mantenha essas configurações baixas para obter um acabamento de superfície de impressão 3D mais fino.

Os ângulos de saída são ligeiramente mais altos que os moldes de alumínio

Estruturas impressas em 3D exigem ângulos de saída mais elevados no molde devido às diferentes propriedades dos materiais. Os especialistas sugerem incluir um ângulo de inclinação médio de 3° para as faces verticais do molde de injeção.

Ventilação é fundamental

Bolsas de ar tendem a se desenvolver dentro das cavidades do molde e diminuir a qualidade da superfície. É bom ter saídas de ar rasas ligeiramente abaixo da superfície da cavidade para evitar esse problema.

Métodos de impressão 3D e materiais para fabricação de moldes

Nesta última seção, apresentamos brevemente algumas técnicas e materiais de impressão 3D adequados para moldes de impressão 3D.

Métodos comuns de impressão 3D

• Estereolitografia (SLA)
• Modelagem de Deposição Fundida (FDM)
• Jateamento de materiais
• Sinterização seletiva a laser (SLS)

Materiais comuns de impressão 3D

• ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno)
• PETG (Tereftalato de Polietileno)
• PP (polipropileno)
• Náilon
• Elastômeros Termoplásticos (TPE)

Conclusão

Isso conclui nossa discussão sobre o interessante tema dos moldes impressos em 3D para moldagem por injeção. Os moldes impressos em 3D são uma alternativa emergente aos moldes de alumínio que oferecem benefícios como economia de custo e tempo e flexibilidade de design, além de serem ótimos para produção de baixo volume.

Alguns dos seus contras incluem baixa integridade estrutural e resistência ao desgaste quando comparados com moldes metálicos, mas existem soluções especializadas para erradicar estes problemas.

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Perguntas frequentes

Quão caros são os moldes impressos em 3D em comparação com os moldes de metal?

Os moldes de impressão 3D são relativamente baratos em comparação com os moldes de metal. Normalmente, um molde de impressão 3D custa menos de US$ 200. Um molde metálico custa facilmente mais de US$ 5.000. Para uma configuração de baixo volume, os moldes impressos em 3D são uma escolha clara.

Qual impressão 3D comum é melhor para moldes de injeção?

Comparando apenas FDM, SLS e SLA, sugerimos o uso de SLA para produção de moldes de injeção. Os produtos SLA são robustos, suaves e precisos. Os moldes FDM enfrentam problemas de desmoldagem e não são tão lisos quanto os moldes SLA. Problemas semelhantes são comumente relatados para produtos SLS.

Como melhorar o tempo de resfriamento de um molde de injeção impresso em 3D?

Os moldes impressos em 3D não esfriam tão rapidamente quanto os moldes de metal devido à sua baixa condutividade térmica. Uma boa dica é usar ar comprimido para aumentar a transferência de calor por convecção ou você pode usar pilhas intercambiáveis.