Moldes impressos em 3D para moldagem por injeção eficiente em baixa tiragem

Este artigo discute o uso da impressão 3D para imprimir moldes para moldagem por injeção de baixo rendimento. Considerações de design, materiais, configurações de moldes e um estudo de caso comparativo estão todos incluídos

Como projetar um molde de injeção impresso em 3D

Materiais

Um material de impressão 3D é adequado para criar moldes de injeção se tiver:

• Resistência a altas temperaturas - É necessária uma alta temperatura de deflexão térmica para suportar as cargas mecânicas e térmicas aplicadas ao molde durante a injeção do material. Observe, porém, que a temperatura diminui rapidamente durante a solidificação.
• Alta rigidez/resistência - A remoção repetitiva de peças pode causar desgaste ao molde, portanto, são necessários materiais com alta rigidez para manter a precisão do molde ao longo do tempo.
• Alto nível de detalhe - Um dos principais requisitos de um molde de injeção é a alta precisão dimensional e uma superfície lisa. Moldes altamente precisos produzirão peças altamente precisas.

As tecnologias de impressão 3D que melhor atendem a esses requisitos são SLA e Material Jetting. Essas tecnologias podem produzir peças com alta precisão dimensional e são ideais para imprimir detalhes complexos e características muito finas. Os materiais especiais disponíveis nessas tecnologias, como a resina Formlabs High Temperature ou Stratasys Digital ABS, são ideais para aplicações de moldagem e ferramentas. Um resumo das propriedades que são mais relevantes para a moldagem por injeção desses dois materiais é mostrado abaixo.

Para aplicações industriais, o SLA de desktop não é adequado. Um artigo detalhado comparando os dois materiais de impressão 3D industriais mais comumente usados ​​para fabricação de moldes (Digtal ABS e Somos PerFORM) pode ser encontrado aqui.
Propriedade Resina Formlabs High Temp* Stratasys Digital ABS** Temperatura de deflexão térmica 289 ℃ a 0,45 MPa 92 - 95 ℃ a 0,45 MPa Módulo de flexão 3,3 GPa 1,7 - 2,2 GPa Resistência ao impacto (entalhado IZOD) 14 J/m 65 - 80 J/m Altura mais baixa da camada (resolução) 25 - 50 mícrons 16 - 30 mícrons Tamanho mínimo de detalhe 0,2 mm 0,2 mm *Informações provenientes de Formlabs**Informações provenientes de Stratasys Um molde de injeção impresso em 3D feito de Digital ABS

Projeto de Molde

A descrição do projeto técnico específico das características do molde (como comportas, corredores, saídas de ar, etc.) está fora do escopo deste artigo. Uma pesquisa na internet revelará uma grande quantidade de informações sobre o assunto. Esta postagem da Seattle Robotics é um bom ponto de partida para aqueles que são novos no design de moldes de injeção.

Aqui está uma lista de algumas boas práticas que devem ser seguidas ao projetar um molde impresso em 3D:

• Ao projetar o molde para impressão SLA, certifique-se de que as faces internas do molde estejam orientadas de forma que nenhum suporte entre em contato com elas. Isso melhorará a qualidade da superfície, já que nenhuma marca de suporte estará presente nessas superfícies, minimizando o pós-processamento necessário.
• Incluir saídas de ar rasas (0,05 mm de profundidade) da borda da cavidade até a borda do molde ajudará a expelir o ar preso durante o processo de moldagem.
• Se o molde impresso em 3D for usado em mais de 20 execuções, considere incluir canais no projeto para incorporar hastes ou tubos de metal. Isso pode ajudar a reforçar o molde, reduzir empenamentos e melhorar o tempo de resfriamento.
• A impressão 3D do molde em uma altura de camada mais baixa pode ajudar a produzir peças moldadas mais suaves, pois os moldes terão linhas de impressão menos visíveis.
• Os detalhes em relevo e gravados devem ser deslocados da superfície em pelo menos 1 mm.

Restrições específicas no projeto dependerão da máquina de moldagem por injeção usada. Porém a Stratasys sugere que moldes feitos através de suas impressoras Material Jetting sejam usados ​​para produzir peças com volume máximo de 165 cm3 em máquinas de moldagem de 50 a 80 toneladas ou prensas manuais manuais.

Projeto de peças para moldagem por injeção

Tal como acontece com os moldes de injeção convencionais, um projetista deve considerar:

• Adicionar um ângulo de saída de no mínimo 2o graus para auxiliar na remoção da peça do molde.
• Manter uma espessura de parede uniforme em toda a peça.
• Manter todas as paredes e elementos o mais finos possível.
• Incluindo raios em todas as arestas e cantos.
• Incluindo nervuras finas e reforços para adicionar resistência a uma peça em vez de aumentar a espessura da parede.

Projeto de ângulo de inclinação para moldagem por injeção
Saiba mais sobre a importância dos ângulos de inclinação neste artigo →

Redução do Flash

Flash é o nome dado ao material que sai entre as duas metades do molde durante o processo de injeção. Isso geralmente ocorre quando as duas metades do molde não se encaixam perfeitamente, não estão perfeitamente niveladas e planas ou o molde está cheio demais. Os corredores são usados ​​no projeto do molde para ajudar a reduzir a probabilidade de rebarbas.

Se estiver projetando para uma estrutura de alumínio, adicione 0,125 mm de espessura extra na parte traseira das placas do molde para compensar as forças de compressão e garantir uma vedação completa. Aumentar a força de fixação na morsa também pode ajudar a mitigar rebarbas, assim como polir o plano dividido dos moldes para obter uma superfície o mais plana possível.
Um bom projeto de molde e uma face plana do molde reduzem a probabilidade de ocorrência de rebarbas
(imagem cortesia de Formlabs)

Composto de liberação

Devido à natureza relativamente frágil dos materiais utilizados nos moldes de injeção impressos em 3D em comparação com os moldes tradicionais, a aplicação de força excessiva para remover uma peça do molde pode levar à rápida deterioração do molde. Incluir um composto desmoldante nas superfícies da cavidade do molde antes do estágio de injeção pode ajudar muito na remoção da peça.

Estudo de caso:um acessório de motor de plástico

Este estudo de caso comparará a fabricação de um acessório de plástico personalizado para uma carcaça de motor. Os requisitos do projeto são:

• O número total de peças é 25.
• É necessário um alto nível de precisão dimensional para garantir um ajuste perfeito.
• O peso da peça é 0,005 kg (5 gramas).
• A peça deve ser feita de ABS.
• A peça deve ser preta.
• O diâmetro total da peça é de 40 mm.

Aqui estão as opções alternativas de fabricação disponíveis:

Impressão 3D FDM ABS industrial: A impressão 3D FDM industrial tem alta repetibilidade e pode produzir peças com alta precisão dimensional e é capaz de imprimir peças em lotes pequenos a médios. O custo do filamento ABS usado em sistemas FDM industriais é normalmente em torno de US$ 90 a US$ 110 por kg. A principal restrição para qualquer peça produzida por impressão 3D FDM é o seu desempenho mecânico anisotrópico:as peças são significativamente mais fracas em uma direção. Isso significa que o projetista deve ter um bom conhecimento das cargas às quais a peça será submetida e da orientação do modelo na plataforma de impressão.

Peças ABS para moldagem por injeção com moldes impressos em 3D SLA: As resinas SLA de alta temperatura são capazes de produzir moldes de injeção funcionais com alto nível de precisão, mais adequados para execuções de produção de baixo nível. As resinas SLA custam cerca de US$ 150 a US$ 170 por litro. Uma máquina de moldagem por injeção de bancada foi usada para os cálculos neste exemplo com os moldes impressos em 3D inseridos em estruturas de suporte de alumínio. Pelotas de ABS são usadas para moldar a peça que custa aproximadamente US$ 2 - US$ 3

Peça ABS moldada por injeção tradicional: As peças moldadas por injeção tradicionais têm um nível muito alto de precisão, excelente acabamento superficial e um nível muito alto de repetibilidade. As principais desvantagens da moldagem por injeção tradicional são o alto custo inicial de configuração e o número de restrições de projeto aplicadas no projeto da peça moldada (ângulos de inclinação, espessura constante da parede, etc.). O custo dos pellets ABS é o mesmo acima.

Um resumo do custo (com base em cotações online) de fabricação da conexão ABS usando as tecnologias discutidas acima está resumido na tabela abaixo. Todos os preços não incluem frete.
FDM Industrial* IM 3DP** IM tradicional*** Custo do molde N/D $ 70,85 $ 1.660,72 Custo por peça US$ 3,69 US$ 0,05 US$ 1,89 Custo total US$ 92,25 US$ 72,10 US$ 1.711,48 Prazo de entrega 4 dias 2 dias 8 dias * Citação proveniente de Protolabs Network.com com ABS, 20% de preenchimento impresso em um Fortus 250MC** Citação proveniente de Protolabs Network.com com resina Formlabs High Temp impressa em Form2*** Citação proveniente de Protolabs

Próximas etapas:Como produzir peças com moldagem por injeção

A moldagem por injeção de baixo rendimento com moldes impressos em 3D é a melhor solução para sua aplicação? Depois, há duas maneiras de avançar com seu projeto:

Se você tiver acesso a uma máquina de moldagem por injeção e conhecimento para projetar o molde, então imprimir o molde em 3D em um material resistente ao calor é uma opção. Um artigo que discute as vantagens e desvantagens dos dois materiais de impressão 3D mais comumente usados ​​para a fabricação de moldes de injeção de baixo rendimento pode ser encontrado aqui.

Caso contrário, você pode terceirizar a produção para um profissional fabricante de moldagem por injeção. A Protolabs Network oferece acesso a uma rede global de prestadores de serviços de moldagem por injeção, que são capazes de projetar um molde para sua peça e produzir volumes de 100 a mais de 10.000 unidades.

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