Navegando da manufatura aditiva para a moldagem por injeção

A precisão e a repetibilidade da impressão 3D de nível industrial estabeleceram a manufatura aditiva como um processo eficaz e preciso para a prototipagem funcional. Ao mesmo tempo, a moldagem por injeção de plástico tem sido uma maneira confiável e econômica de produzir peças para produções maiores de dezenas de milhares e além.

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 do risco de design da prototipagem de impressão 3D e depois mudando para o método de fabricação de moldagem por injeção para ramp up para volumes maiores. Para milhões de designs de peças ao longo dos anos, essa tem sido uma combinação obrigatória.

Na Protolabs, há muitos exemplos em vários setores, incluindo aeroespacial, 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 direta a laser 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 nylon, pode criar peças finais altamente duráveis. O Multi Jet Fusion também é usado para fabricar peças de nylon de uso final.

Dito isso, fazer a mudança de protótipos impressos em 3D para peças finais de moldagem por injeção continua sendo uma opção frequentemente usada, principalmente, como mencionado, porque a moldagem é uma maneira mais econômica e econômica de produzir peças em maior número.

Ao escolher esta opção, há uma série de considerações de design exclusivas a serem lembradas. Este post oferece conselhos para navegar nessa mudança:

• Definir uma peça antes de projetar uma peça
• Usando vários protótipos
• Manobrando através de moldagem
• Escolha de materiais
• Reduzindo custos e prazos

Ao imprimir protótipos em 3D antes de passar para a moldagem, as equipes de desenvolvimento de produtos podem reduzir o risco de design e iterar mais rapidamente.

Mitigação de riscos de projeto:definir uma peça antes de projetar uma peça

A prototipagem com impressão 3D ou manufatura aditiva tem tudo a ver com mitigação de riscos de design:observar como melhorar o design de uma peça; observar quais riscos potenciais podem existir para a forma, ajuste e função de uma peça; experimentar e avaliar uma variedade de conceitos de design; e estar atento para não se projetar em um canto por não levar em conta a capacidade de fabricação da peça. De fato, com a impressão 3D, existem poucas regras ou limitações para causar problemas para você na hora de criar uma peça. Mas, para projetar uma peça moldável, bem, isso é uma história diferente. A função afeta a forma de qualquer tipo de peça, mas com peças de plástico em particular, também afeta o acabamento e até mesmo o desenho do molde que as molda.

É aí que entra nossa plataforma automatizada de cotação digital. Essa análise é especialmente crucial se você tiver em mente que a peça será moldada ou, pelo menos, produzida em quantidades um pouco maiores além do estágio de prototipagem. Para peças impressas em 3D, você obtém uma cotação instantânea com preços interativos com base no 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 on-line interativa em poucas horas, além da análise DFM e preços em tempo real com base na quantidade, acabamento e prazo de entrega.

Mas vamos voltar a alguns exemplos de mitigação de risco. Na indústria automotiva, o design de uma peça que se encaixa como um componente do motor de um SUV provavelmente precisará sobreviver à exposição a altas temperaturas e umidade. Isso conduzirá a escolhas importantes, 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 exija peças moldadas ou usinadas. Ou, digamos, uma empresa de tecnologia médica está criando um protótipo de uma nova ferramenta cirúrgica portátil. Nesse caso, um protótipo impresso em 3D seria uma ferramenta que funcionaria bem em um consultório médico ou clínica para demonstrações de vendas e testes de utilidade.

Neste estágio inicial de front-end, o melhor conselho é usar princípios de design bons e sólidos para ajudar na definição uma peça antes de projetar separado. O que leva à próxima seção:o papel dos protótipos iterativos ou múltiplos.
A equipe de engenharia que desenvolveu o Indago Quadcopter fez o protótipo do projeto com impressão 3D e depois fez a transição para a moldagem para produção.

A multiprototipagem ajuda a determinar um método de produção

Conforme mencionado, existem 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 desejam fazer a transição de um projeto de protótipo impresso para peças moldadas ou outro método de produção. Por quê? Bem, no caso da moldagem, ela “não gosta” de seções grossas, saliências, fluxos que giram em torno de um núcleo e malha, 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 pode ser moldado.

Como resultado, a citação cruzada – cotação entre ou contra vários processos – juntamente com a prototipagem iterativa, pode ser um processo de verificação útil para o design de uma peça. Fazer isso em paralelo ajudará a mostrar se a peça será funcional e, em seguida, como ela pode ser convertida com sucesso para a próxima etapa, para um método que permita um volume maior de produção, seja moldagem, fundição, usinagem, chapas metálicas fabricação ou outro processo. Essa multiprototipagem provavelmente também ajudará você a descobrir as considerações de preço e tempo.

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

Um exemplo da indústria aeroespacial desse processo de cotações múltiplas ocorreu com o drone quadricóptero Lockheed Martin (veja a caixa da barra lateral). O designer do projeto, Miguel Perez, um engenheiro da Lockheed Martin, trabalhou com o sistema de autocotação de análise DFM da Protolabs, que o guiou por várias iterações de peças e, eventualmente, o levou a mudar da prototipagem com impressão 3D para prototipagem e produção de baixo volume com moldagem por injeção.

Ele enviaria um modelo não modificado para o sistema de cotação e, em seguida, obteria feedback, por exemplo, sobre como as metades do molde poderiam funcionar, puxações laterais sugeridas e destaques de recursos que não poderiam ser moldados. Perez usaria essas informações para transformar a peça impressa em 3D em várias peças de interface moldáveis ​​que preservariam a intenção do projeto. Em seguida, ele reenviaria as peças modificadas e obteria ainda mais feedback do sistema de cotação sobre como o molde poderia ser feito, mostrando a ele, por exemplo, onde ele pode ter negligenciado o calado necessário nas direções apropriadas.

Um exemplo da indústria médica é o teste de verificação que a impressão 3D fornece para uma peça como uma fechadura Luer, que é aparafusada e encaixada na extremidade das seringas. Existem certas maneiras de moldar essas fechaduras para economizar custos, mas os projetos podem ser validados primeiro com a impressão 3D, certificando-se de que sejam apertados o suficiente para fazer uma vedação, por exemplo, antes de considerar que funcionam bem o suficiente para avançar para a moldagem.

Por fim, dependendo da peça que está sendo projetada, testar e usar vários protótipos pode ajudá-lo a verificar se algo funcionará e a ganhar mais confiança em um protótipo antes de dar o salto para a moldagem.
A prototipagem de componentes de acoplamento, como uma trava Luer que é aparafusada em uma seringa, é uma ótima maneira de confirmar o ajuste e a função antes de investir em ferramentas de produção.

Manobrando através da Moldagem

Para fazer essa transição de protótipos impressos para peças moldadas, vários métodos de projeto de moldagem devem ser considerados e, quando apropriado, aplicados. As duas principais dessas técnicas são espessura e calado uniformes da parede, embora existam várias outras também. Aqui está um breve resumo:

Espessura de parede uniforme. Manter a espessura da parede uniforme é provavelmente o requisito de projeto mais importante para obter boas peças moldadas. Ter espessura de parede uniforme permite que o plástico derretido preencha o molde uniformemente, não criando, portanto, uma peça com empenamento, afundamento, linhas de malha finas ou outros defeitos.

Rascunho. Adicionar inclinação 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 calado por polegada de profundidade na cavidade do molde.

Raios. Use raios ou cantos arredondados para melhorar o fluxo de plástico no molde, bem como a integridade da peça. Os cantos vivos aumentam a tensão da sua peça e dificultam o fluxo do plástico derretido (resina).

Estrias, reforços, rampas. A inclusão de nervuras e reforços de suporte pode aumentar a resistência das peças estruturais e ajudar a eliminar deformações, afundamentos e vazios. As nervuras devem ter 40 a 60% da espessura da parede adjacente. Rampas em vez de degraus agudos podem reduzir o estresse em deslocamentos entre porções de parede mais grossas e mais finas.

Chefes. Projetar uma parede mais fina em uma saliência ou recurso de montagem que receberá um parafuso eliminará o afundamento e os vazios.

Para obter detalhes sobre as diretrizes de projeto de moldagem por injeção, incluindo tamanho de peça e recomendações de materiais, confira nossas diretrizes de projeto para moldagem por injeção de plástico, que incluem dimensões de tamanho máximo, listas de plásticos e acabamentos de superfície comumente usados ​​e correspondência de cores personalizada e opções de acabamento secundário; diretrizes de design de borracha de silicone líquido (LSR); e guias de sobremoldagem e moldagem de inserção.

Considerações de materiais para moldagem por injeção

As duas grandes categorias de materiais plásticos são termoplásticos e termofixos (LSR, por exemplo). A escolha de um material é baseada em uma variedade de considerações. As propriedades mecânicas, físicas, térmicas e elétricas do material são importantes. A capacidade de fabricação é essencial, como as características das resinas (materiais plásticos em sua forma bruta), incluindo sua resistência à deformação durante o resfriamento e o quão bem elas preenchem pequenas partes de um molde. Dependendo da função da peça, a aparência cosmética também pode ser importante. O custo do material é outro problema. Também pode haver outras considerações especiais, como a necessidade de classificações da FDA ou UL.

Diminuição de custos e prazos

Certamente os custos e orçamentos gerais, juntamente com cronogramas e prazos, também são considerações importantes. E, em alguns casos, pode parecer que o custo é o principal influenciador do desenvolvimento de peças ou produtos. No entanto, usando métodos de produção mais acessíveis, como moldagem, os custos podem ser reduzidos.

Nesse sentido, um prazo iminente também pode parecer um grande influenciador. No entanto, graças aos métodos de fabricação digital que podem acelerar o desenvolvimento de produtos, a prototipagem e a produção de peças e produtos podem ser drasticamente reduzidas.

Gus Breiland é engenheiro técnico sênior da Protolabs em Minnesota.

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