A impressão 3D substituirá a indústria de ferramentas?

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Postado em 11 de novembro de 2019, | Por WayKen Rapid Manufacturing

A fabricação de um produto não envolve simplesmente processar as peças reais e montá-las. O processo de produção envolve muitas tarefas adicionais, como desenvolver a embalagem, pensar na logística e, o mais importante, desenvolver e produzir o ferramental. Ferramental é um significado geral para os componentes necessários para a produção bem-sucedida de todos os componentes no volume necessário e com todos os requisitos prescritos. A indústria de ferramentas custa bilhões de dólares para empreendedores em todo o mundo. Os custos de ferramental podem chegar a até 50% do custo total do produto. No entanto, novas tecnologias estão sendo desenvolvidas para diminuir o tempo e o preço do ferramental. A impressão 3D provou ser uma técnica confiável e promissora para tal trabalho.

Ao longo dos anos a tecnologia de manufatura aditiva ou como é comumente chamada de impressão 3D é uma analogia com o processo convencional de copiar imagens digitais 2D em uma folha de papel. À medida que a técnica amadureceu, a precisão, a resistência da peça, o acabamento da superfície e a variedade de materiais para manufatura aditiva cresceram drasticamente. Há 5 anos as peças impressas só podiam ser usadas para maquetes e apresentações. Hoje ouvimos falar de componentes de metal impressos sendo instalados em motores Airbus, ônibus espaciais e carros. Isso significa que a impressão 3D também se tornou útil para ferramentas. Se considerarmos um desenvolvimento tão rápido, talvez seja possível que a impressão 3D seja capaz de substituir todos os processos convencionais de fabricação de ferramentas em toda a Indústria?

Impressão 3D de plástico para substituir ferramentas macias

O soft tooling é geralmente referido como elementos que não requerem muitas deficiências. O exemplo mais comum de ferramentas macias são os moldes de silicone para fundição de plástico. Eles são fabricados a partir de diferentes misturas de silicone curado, enquanto o ferramental duro para moldagem por injeção é feito de ligas metálicas. Sua durabilidade é minúscula em comparação com ferramentas duras (apenas 1-1000 peças dependendo da complexidade), mas o preço é consideravelmente mais barato. Os moldes de silicone são perfeitos para serem usados ​​em trabalhos de prototipagem, fabricação de pequenos volumes e customização. Você só precisaria de um modelo mestre e uma ou duas formas de matriz para produzir um lote pequeno, mas significativo de peças. Então, como a manufatura aditiva pode melhorar e substituir o processo convencional aqui?

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Melhorias pela Manufatura Aditiva

Em primeiro lugar, a impressão 3D já desempenha um papel significativo na fundição de silicone. É indispensável para a fabricação do modelo mestre. A impressão 3D é excelente na produção de uma única peça personalizada e a vantagem é que a complexidade da geometria desempenha pouco ou nenhum papel no tempo e custo finais. Uma única peça complexa personalizada é uma definição do modelo mestre para fundição de plástico. Após a confecção da peça-mestre, ela é submersa em silicone líquido e, uma vez endurecida, obtém-se duas metades da matriz.

E se formos mais longe e produzirmos os próprios moldes de silicone simplesmente imprimindo os moldes de silicone. Isso eliminaria a necessidade de uma peça mestre e seu pós-processamento. As impressoras 3D modernas não atingem o acabamento de superfície necessário com os materiais necessários, mas podem produzir peças extremamente lisas com polímeros mais macios. Quem pode dizer que as impressoras não serão capazes de atingir a mesma precisão nos materiais mais complexos em alguns anos? Quando isso acontecer, a indústria de ferramentas de silicone convencional estará em apuros.

Impressão 3D e a Indústria de Moldagem por Injeção

Nós olhamos para ferramentas macias. Agora vamos ver o que a impressão 3D pode trazer para a indústria de ferramentas rígidas. A maior parte desta indústria envolve matrizes de aço duráveis ​​para peças de moldagem por injeção de plástico. No entanto, ferramentas rígidas incluem matrizes de forjamento de metal, dispositivos de usinagem e ferramentas de fixação de medição (ou unidades de equipamentos de medição especializados completos para peças específicas).

Ferramentas rígidas para diferentes indústrias

As ferramentas duras são mais comumente produzidas por usinagem CNC. As matrizes e acessórios são feitos de aço inoxidável ou ligas de metal duro, que podem ser tratadas termicamente para aumentar ainda mais sua vida útil. Esses materiais são muito difíceis de processar. É por isso que o processamento de fabricação de ferramentas duras custa muito dinheiro e leva uma parte significativa do tempo de entrega do produto.

As ferramentas duras geralmente são fabricadas como uma única unidade ou como um lote muito pequeno. Geralmente tem uma geometria muito complexa com recursos internos. Esta situação é exatamente onde a impressão 3D se destaca. No entanto, a manufatura aditiva ainda não é amplamente utilizada para produzir matrizes.

Razões pelas quais ainda não vemos manufatura aditiva

Existem algumas razões para isso. Uma razão é que a manufatura aditiva de metal ainda não fornece a precisão e o acabamento superficial que as peças usinadas por CNC podem alcançar. Portanto, você não pode evitar completamente o processamento por ferramentas de corte. Tudo isso significa que você não pode evitar o pós-processamento e o custo das peças pós-processadas é maior. No entanto, a razão mais importante é que as propriedades de fadiga das peças sinterizadas ainda não foram bem pesquisadas. Isso significa que a durabilidade das peças impressas não pode ser prevista de forma confiável. Uma vez que mais testes de pesquisa são executados, podemos estabelecer as curvas de fadiga gerais dos materiais sinterizados. Feito isso, será possível usar a manufatura aditiva para componentes duráveis. Além disso, não existem muitos materiais adequados para a sinterização de peças metálicas, de modo que as variações das matrizes são limitadas.

O futuro das ferramentas

Agora que conhecemos as limitações atuais da impressão 3D em metal, vamos ver o que pode acontecer no futuro quando essas limitações forem superadas. Se desenvolvermos impressoras que possam fazer peças precisas a partir de componentes complexos, o ritmo de fabricação realmente disparará. As matrizes serão fabricadas em poucos dias e muito mais baratas consideradas para a fabricação de hoje. O custo de usinagem de uma única peça é muito alto, enquanto a impressão 3D de um animal de estimação personalizado é realmente mais lucrativa do que fazer um lote. A dureza do material não importa, pois é localmente derretido e não cortado.

E por último, mas não menos importante, a manufatura aditiva pode agregar muito em termos de canais internos de resfriamento. Brocas e furos não podem atingir cavidades e espaços mais profundos, o que resulta em diferentes taxas de resfriamento. No entanto, as tecnologias aditivas podem oferecer qualquer forma complexa de canais que sejam eficientes, distribuídos uniformemente pela cavidade e não aumentem o custo da matriz.

Conclusão

A manufatura aditiva tem um longo caminho a percorrer para substituir os métodos convencionais infalíveis de criação de ferramentas. No entanto, uma vez que a tecnologia amadureceu e as propriedades de suas partes são melhor compreendidas, os métodos convencionais não terão chance.