Desde a introdução da moldagem industrial por injeção, manter uma temperatura uniforme na superfície do molde tem sido um desafio constante.

Em sua busca para manter temperaturas uniformes, fabricantes usaram defletores, borbulhadores e tubulação de aquecimento. Eles laminaram blocos combinados e adicionaram conjuntos complexos de perfuração a seus moldes.

Durante a última década, a refrigeração de molde impressa em 3D— o desenvolvimento de canais de resfriamento que naturalmente seguem os contornos da peça a ser produzida — foi definido como a solução para controlar as temperaturas da modelagem por injeção. No entanto, canais de refrigeração impresso em 3D acrescenta novas camadas de design e complexidade de produção ao processo de produção de moldes, afastando-o dos meios à disposição da maioria das fábricas.
 

"Metodologia sólida"

A Bastech, localizada em Ohio, fornece soluções de fonte única para chão de fábrica, serviços de fabricação de aditivos e vendas de equipamentos, mas tem lutado contra problemas de temperatura. No entanto, eles acreditam ter encontrado um jeito de introduzir um novo nível de simplicidade, eficiência e economia ao resfriamento isolante. A pesquisa da empresa foi auxiliada por seu status como Parceira Ouro Autorizada da 3D Systems, dando a ela acesso às mais recentes tecnologias e inteligência da impressão em 3D.

O avanço da Bastech, documentado em dois testes de referência recentes, é baseado no software de produção de molde Cimatron™ da 3D Systems e seu sistema de impressão direta de metal (DPM) ProX® 200. As simulações dos designs dos canais de refrigeração foram realizadas usando o software Moldex3D, uma parceira da 3D Systems, e os moldes de DMP concluídos foram inspecionados usando o software Geomagic® Control da 3D Systems.

O processo representa uma solução de fabricação completa com fácil integração entre o mundo digital e o físico, tudo isso alimentado por produtos da 3D Systems.

"A combinação de um poderoso software projetado para possibilitar todas as formas da impressão 3D, como e a criação de peças metálicas completamente densas, com excelente acabamento superficial com pós-processamento reduzido, possui metodologia única para a criação de moldes com resfriamento personalizados", diz Ben Staub, CEO da Bastech.
 

Automatizando design e análise

O primeiro teste de referência da Bastech comparou duas peças muito semelhantes em termos de volume, tamanho e configuração do design. Uma peça foi projetada com um núcleo isolante e, em seguida, impressa em 3D. A outra foi projetada com uma configuração de defletor espiral padrão e fabricada por meios convencionais.

O design de resfriamento isolante foi criado com o Cimatron, software especialista em CAD/CAM que abrange todo o ciclo de produção do molde — da cotação ao design, aplicando alterações de engenharia, programação EDM e NC. A versão mais recente do Cimatron inclui recursos de análise e o design de resfriamento que dão suporte a canais de resfriamento de perfuração tradicionais e canais de resfriamento isolante para fabricação com tecnologias de impressão 3D.

Pela estreita integração com o Moldex3D, designers de molde por injeção trabalhando no Cimatron têm a capacidade de realizar análise automatizada do preenchimento do molde a fim de otimizar o layout do canal de resfriamento.

"A combinação do Cimatron com o Moldex oferece um software especializado que ajuda engenheiros menos experientes a criar designs de maior qualidade", diz Staub. "Esse é uma importante consideração, já que a demanda por fabricantes de ferramentas experientes é muito maior do que a oferta cada vez menor."

"Projetar para impressão em 3D requer a compreensão do projeto de suporte estrutural a fim de realizar um design verdadeiramente baseado em requisitos, assim como reduzir o custo de materiais e tempo de criação", acrescenta Scott Young, Gerente de Engenharia da Bastech. "Esse tipo de especialidade está integrado no software Cimatron para permitir que nossos designers pensem sobre o design sem precisar se preocupar com a navegação pelo pacote CAD a fim de definir os canais internos complexos."
 

Economia significativa de tempo e ciclo

O design da Bastech para o primeiro teste de referência foi um helicoidal cônico, que foi posicionado dentro de um cone de espaçamento usado para conjuntos industriais. Os canais de resfriamento foram criados girando uma configuração de lágrima, de maneira que um lado estava paralelo à superfície exterior do núcleo enquanto mantinha uma constante distância dela. Ao executar a seção cruzada junto com um helicoidal cônico, a Bastech foi capaz de projetar uma geometria que o ProX 200 podia criar em uma única execução.

O design do molde impresso em 3D levou dois dias e foi criado no ProX 200 em três dias. Para maximizar sua produtividade, a Bastech combinou a execução da impressão em 3D do molde com peças necessárias em outros projetos da Bastech.

O ProX 200 é uma alternativa econômica e eficaz para processos de fabricação tradicionais, oferecendo a diminuição do desperdício, maior velocidade de produção, peças de metal muito denso e a capacidade de produzir conjuntos muito complexos como uma peça única. 

"É uma ferramenta que aumenta nossas capacidades no campo da moldagem", diz Staub. "Ela nos fornece uma instrumentação alternativa superior e soluciona problemas de gargalo na ferramentaria. Conseguimos economizar de 30 a 40 horas por molde, eliminando o EDM e a perfuração, e reduzindo drasticamente o CNC e o trabalho de polimento."

Para o núcleo helicoidal de fluxo reverso, o design e a análise no software Cimatron, combinado com a impressão em 3D no ProX 200, economizou mais de 40 horas de programação e tempo de fábrica. Quando todos os custos foram levados em consideração, o núcleo impresso em 3D produziu uma economia líquida de US$ 1.765 (18%) em comparação aos métodos convencionais, de acordo com Young.

Mais importante ainda, o molde manteve uma temperatura mais baixa durante a execução e tempo de ciclo reduzido em 22%.

"O tempo de ciclo é quase tudo na moldagem por injeção, com a capacidade de controlar constantemente, quase por segundo, a temperatura", diz Staub.

"Quanto mais consistente conseguirmos manter a temperatura, mais consistentemente conseguiremos moldar peças de qualidade", diz Young. "Eliminar deformações ocasionadas pela variação de temperatura e diminuir o tempo de ciclo representam ganhos de desempenho enormes."

Resultados do teste de referência: defletor x núcleo isolante

Economia além do núcleo

Em um segundo teste de referência, a Bastech foi além do núcleo isolante e projetou um conjunto completo com núcleo, cavidade e molde deslizante para impressão em 3D. Nesse caso, o objetivo era manter a mesma temperatura (110 °F; 43,33 °C) entre o design convencional e o isolante a fim de determinar como isso afetaria o resultados do tempo de ciclo e resfriamento.

Mais uma vez, foi registrada uma enorme economia de tempo para programação, usinagem e polimento, e o EDM foi completamente eliminada no design desses canais de refrigeração. A automação dentro do software Cimatron reduziu o tempo de design de 30 horas para apenas sete horas para o molde com este canais de refrigeração impressos em 3D. A economia total dos custos para o molde impresso em 3D foi de US$ 2.505, representando uma economia de 16%.

O tempo de resfriamento foi reduzido de 10,5 segundos para o molde convencional para 7,5 segundos, usando esta tecnologia, e o tempo de ciclo mais importante foi reduzido em 14%.

"Mesmo que a temperatura se mantivesse a mesma para os designs convencional e de resfriamento impresso em 3D, o design impresso em 3D forçou mais a entrada de líquido através de uma superfície maior, tornando-o mais eficiente no resfriamento do molde", diz Young.

Resultados do teste de referência: convencional x núcleo isolante

Grande impacto nos resultados 

"O desejo por técnicas melhores de resfriamento sempre esteve lá, há muito, muito tempo", diz Young. "Agora, temos o software para ajudar fabricantes de molde a tomar decisões melhores sobre como configurar suas cavidades, núcleos e insertos e, depois, trazê-los para a realidade com a impressão direta de metal em 3D."

"Com o resfriamento tradicional para moldagem por injeção não há situação perfeita", diz Staub. "Você só pode perfurar em determinados lugares e não pode fazer furos em curva em torno dos canais, como é possível com o resfriamento isolante projetado para impressão em 3D. Agora não precisamos mais fazer concessões nos designs de resfriamento isolante."

A Bastech adquiriu o sistema ProX 200 DMP por meio de uma bolsa do estado de Ohio e do Instituto de Pesquisa da Universidade de Dayton. Assim, parte da missão da empresa é compartilhar os resultados com a comunidade industrial. Staub espera que os esforços dos testes de referência da Bastech mostrem a fábricas de todos os tamanhos que há soluções sólidas e completas disponíveis para alcançar o a refrigeração conformada, impressa em 3D.

"Muitos fabricantes de ferramentas precisarão adaptar essas tecnologias 3D para aprimorar suas fábricas", ele diz. "Queremos compartilhar nosso sucesso para que outras fábricas vejam que não apenas pode ser feito, como pode ser feito com grande impacto nos resultados."