Da Manufatura Aditiva à Injeção de Plástico: Transição Perfeita para o Sucesso na Produção

A precisão e repetibilidade da impressão 3D de nível industrial estabeleceu a manufatura aditiva como um processo eficaz e preciso para prototipagem funcional. Ao mesmo tempo, a injeção de plástico há muito tempo é uma forma confiável, econômica e eficiente no tempo de produzir peças para grandes séries de produção de dezenas de milhares ou mais.

Como resultado, engenheiros, designers e desenvolvedores de produtos descobriram que esses dois processos funcionam bem juntos no ciclo de vida de um produto, começando com a mitigação de risco de design da prototipagem por impressão 3D e depois mudando para o método de fabricação por injeção de plástico para aumentar a produção para volumes maiores. Para milhões de designs de peças ao longo dos anos, esta tem sido a combinação ideal.

Na Protolabs, exemplos abundam em várias indústrias, incluindo aeroespacial e defesa e tecnologia médica.

Deve-se notar que existem vários processos de impressão 3D que têm a capacidade de construir peças de produção totalmente funcionais. A sinterização a laser direta de metal, por exemplo, usa uma variedade de metais para fabricar peças de uso final. A sinterização seletiva a laser, usando materiais à base de náilon, pode criar peças finais altamente duráveis. O Multi Jet Fusion também é usado para fabricar peças de uso final em náilon.

Dito isso, a transição de protótipos impressos em 3D para peças finais moldadas por injeção continua sendo uma opção frequentemente usada, principalmente, como mencionado, porque a moldagem é uma forma mais econômica e eficiente no tempo de produzir peças em maiores quantidades.

Ao escolher esta opção, há várias considerações de design únicas a ter em mente. Este artigo oferece conselhos para navegar nessa transição:

• Definir uma peça antes de projetá-la
• Usar múltiplos protótipos
• Navegar pela moldagem
• Escolher materiais
• Mitigar custos e prazos

Mitigação de Risco de Design: Definir uma Peça Antes de Projetá-la

A prototipagem com impressão 3D ou manufatura aditiva é toda sobre mitigação de risco de design: analisar como melhorar o design de uma peça; examinar quais riscos potenciais pode haver para a forma, ajuste e função de uma peça; testar e validar uma variedade de conceitos de design; e ter cuidado para não se encurralar no design por não considerar a fabricabilidade da peça. De fato, com a impressão 3D, há poucas regras ou limitações para causar problemas ao criar uma peça. Mas, projetar uma peça moldável, bem, essa é uma história diferente. A função afeta a forma para qualquer tipo de peça, mas com peças plásticas em particular, também afeta o acabamento, e até mesmo o design do molde que as molda.

É aí que entra nossa plataforma automatizada de cotação digital. Esta análise é especialmente crucial se você tem em mente que a peça será moldada, ou pelo menos produzida em quantidades um pouco maiores além apenas da etapa de prototipagem. Para peças impressas em 3D, você obtém uma cotação instantânea com preços interativos baseados em material, resolução e acabamento. Além disso, você sempre pode obter feedback de design de um de nossos engenheiros internos de manufatura aditiva. Para peças moldadas, você obtém uma cotação online interativa em horas, além da análise DFM, e preços em tempo real baseados em quantidade, acabamento e prazo de entrega.

Mas vamos voltar a alguns exemplos de mitigação de risco. Na indústria automotiva, um design de peça que se encaixa como componente do motor de um SUV provavelmente precisará sobreviver à exposição a altas temperaturas e umidade. Isso impulsionará escolhas-chave como qual material usar e qual método de produção optar. Pode exigir o uso de sinterização seletiva a laser (SLS), um processo de impressão 3D que pode produzir peças de produção funcionais, ou talvez peças moldadas ou usinadas. Ou, digamos, uma empresa de tecnologia médica está prototipando uma nova ferramenta cirúrgica portátil. Nesse caso, um protótipo impresso em 3D seria uma ferramenta que funcionaria bem no consultório ou clínica de um médico para demonstrações de vendas e testes de utilidade.

Nesta fase inicial de front-end, o melhor conselho é usar bons e sólidos princípios de design para ajudar a definir uma peça antes de projetar uma peça. O que nos leva à próxima seção: o papel de protótipos iterativos ou múltiplos.

Multi-Prototipagem Ajuda a Determinar um Método de Produção

Como mencionado, há poucas regras ou limitações na criação de uma peça com manufatura aditiva. Isso é uma bênção e uma maldição. É especialmente um desafio quando os designers querem fazer a transição de um design prototipado impresso para peças moldadas ou outro método de produção. Por quê? Bem, no caso da moldagem, ela "não gosta" de seções transversais espessas, saliências, fluxo que contorna um núcleo e solda, geometria complexa, canais ou câmaras internas, geometrias orgânicas, e assim por diante. Em outras palavras, só porque algo pode ser impresso em 3D não significa necessariamente que possa ser moldado.

Como resultado, a cotação cruzada — cotar através ou contra múltiplos processos — junto com a prototipagem iterativa, pode ser um processo de validação útil para um design de peça. Fazer isso em paralelo ajudará a mostrar se a peça será funcional e, então, como ela pode ser convertida com sucesso para a próxima etapa, para um método que permita produção de volume mais alto, seja moldagem, fundição, usinagem, fabricação de chapa metálica ou outro processo. Esta multi-prototipagem também provavelmente ajudará você a descobrir considerações de preço e tempo.

No caso da injeção de plástico, você encontrará mais restrições sobre o que pode e não pode ser moldado porque se o molde não puder ser produzido, a peça não pode ser produzida. Para injeção de plástico, muitas técnicas e elementos de moldagem precisarão ser usados ou adicionados (veja a próxima seção sobre Navegar pela Moldagem).

Um exemplo da indústria aeroespacial deste processo de multi-cotação ocorreu com o drone quadricóptero da Lockheed Martin (veja a caixa lateral). O designer do projeto, Miguel Perez, engenheiro da Lockheed Martin, trabalhou com o sistema de cotação automático com análise DFM da Protolabs, que o guiou através de várias iterações de peças, e eventualmente o levou a mudar da prototipagem com impressão 3D para tanto prototipagem quanto produção de baixo volume com injeção de plástico.

Ele enviaria um modelo não modificado para o sistema de cotação e receberia feedback, por exemplo, sobre como as metades do molde poderiam funcionar, side pulls sugeridos, e destaques de características que não poderiam ser moldadas. Perez usaria então essa informação para transformar a peça impressa em 3D em múltiplas peças moldáveis de interface que preservassem a intenção do design. Então ele reenviaria as peças modificadas e obteria ainda mais feedback do sistema de cotação sobre como o molde poderia ser feito, mostrando-lhe, por exemplo, onde ele poderia ter esquecido o ângulo de saída necessário nas direções apropriadas.

Um exemplo da indústria médica é o teste de verificação que a impressão 3D fornece para uma peça como um Luer lock, que rosqueia e se encaixa na extremidade de seringas. Existem certas maneiras de moldar esses locks para economizar custos, mas os designs podem ser primeiro validados com impressão 3D, garantindo que ele aperte o suficiente para fazer uma vedação, por exemplo, antes de considerar que funciona bem o suficiente para avançar para a moldagem.

Em última análise, dependendo da peça que está sendo projetada, testar e usar múltiplos protótipos pode ajudar você a verificar se algo funcionará e ajudá-lo a ganhar mais confiança em um protótipo antes de dar o salto para a moldagem.

Navegando pela Moldagem

Para fazer essa transição de protótipos impressos para peças moldadas, vários métodos de design de moldagem devem ser considerados e, quando apropriados, aplicados. Os dois principais são espessura de parede uniforme e ângulo de saída, embora existam vários outros também. Aqui está um breve resumo:

Espessura de Parede Uniforme

Manter espessura de parede uniforme é provavelmente o requisito de design mais importante para obter boas peças moldadas. Ter espessura de parede uniforme torna possível que o plástico derretido preencha o molde uniformemente, portanto, não criando uma peça com empenamento, marcas de retração, linhas de solda finas ou outros defeitos.

Ângulo de Saída (Draft)

Adicionar ângulo de saída ou inclinação às paredes verticais de uma peça facilita a ejeção ou remoção da peça do molde. A regra principal é aplicar 1 grau de ângulo de saída por polegada de profundidade na cavidade do molde.

Raio (Radii)

Use raios ou cantos arredondados para melhorar o fluxo do plástico no molde, bem como a integridade da peça. Cantos agudos aumentam a tensão na sua peça e impedem o fluxo do plástico derretido (resina).

Nervuras, Contraventes, Rampas

Incluir nervuras e contraventes de suporte pode aumentar a resistência de peças estruturais e ajudar a eliminar empenamento, retração e vazios. Nervuras devem ter 40 a 60% da espessura da parede adjacente. Rampas em vez de degraus agudos podem reduzir a tensão nas transições entre porções de parede mais grossas e mais finas.

Bosses (Protuberâncias)

Projetar uma parede mais fina em um boss ou recurso de montagem que receberá um parafuso eliminará retração e vazios.

Para detalhes sobre diretrizes de design para injeção de plástico, incluindo tamanho de peça e recomendações de materiais, confira nossas diretrizes de design para injeção de plástico, que incluem dimensões máximas de tamanho, listas de plásticos comumente usados e acabamentos de superfície, e correspondência de cores personalizadas e opções de acabamento secundário; diretrizes de design para borracha de silicone líquido (LSR); e diretrizes para sobremoldagem e moldagem com insertos.

Considerações de Materiais para Injeção de Plástico

As duas amplas categorias de materiais plásticos são termoplásticos e termofixos (LSR, por exemplo). A escolha de um material baseia-se em uma variedade de considerações. As propriedades mecânicas, físicas, térmicas e elétricas do material são importantes. A fabricabilidade é essencial, como as características das resinas (materiais plásticos em sua forma bruta), incluindo quão resistentes eles podem ser à deformação durante o resfriamento e quão bem eles preenchem pequenos recursos de um molde. Dependendo da função da peça, a aparência cosmética também pode ser importante. O custo do material é mais uma questão. Pode haver outras considerações especiais, como a necessidade de classificações FDA ou UL.

Mitigando Custos e Prazos

Certamente custos gerais e orçamentos, junto com prazos e deadlines, também são considerações-chave. E, pode parecer em alguns casos que o custo especialmente é o principal influenciador do desenvolvimento de peça ou produto. No entanto, ao usar métodos de produção mais acessíveis como moldagem, os custos podem ser controlados.

Nestas linhas, um prazo iminente também pode parecer um influenciador principal. No entanto, graças a métodos de manufatura digital que podem acelerar o desenvolvimento de produtos, a prototipagem e produção de peças e produtos podem ser dramaticamente encurtadas.

Gus Breiland é engenheiro técnico sênior na Protolabs em Minnesota.

Eric Utley é engenheiro de aplicações na Protolabs na Carolina do Norte.