Nel settore degli stampi per materie plastiche, la stampa 3D metallica viene spesso associata ai canali di raffreddamento conformali. È una delle applicazioni più concrete dell’additive manufacturing nel tooling: non serve a produrre un pezzo “dimostrativo”, ma a migliorare un processo industriale già esistente, cioè lo stampaggio a iniezione.
Il caso riguarda Erich Rothe GmbH & Co. KG, azienda tedesca di Kitzingen attiva nelle soluzioni in plastica per imballaggio, con applicazioni nei settori elettronica, tessile, arredamento, articoli per ufficio e prodotti per la casa. Rothe realizza anche prodotti tramite stampaggio a iniezione e dispone di progettazione interna e produzione stampi; sul proprio sito indica presse con forze di chiusura da 50 a 200 tonnellate.
Il progetto si concentra su uno stampo per bobine utilizzate nella fornitura di nastri porta-componenti per l’elettronica. In questo tipo di produzione, ridurre il tempo ciclo può avere un impatto importante: anche pochi secondi risparmiati su ogni stampata diventano rilevanti quando il pezzo viene prodotto in quantità. L’obiettivo di Rothe era migliorare la gestione termica dello stampo, passando da inserti tradizionali in acciaio a una soluzione prodotta con Laser Powder Bed Fusion, o LPBF, integrando canali di raffreddamento più vicini alla geometria reale del pezzo.
Perché usare canali di raffreddamento conformali
Negli stampi tradizionali, i canali di raffreddamento vengono in genere ottenuti con forature rettilinee. È una soluzione robusta e consolidata, ma poco adatta a seguire geometrie complesse. Il risultato può essere una distribuzione non uniforme della temperatura: alcune zone dello stampo si raffreddano più velocemente, altre trattengono calore più a lungo. Questo può influire sul tempo ciclo, sulla stabilità dimensionale e sulla qualità superficiale del componente stampato.
I canali conformali seguono invece il profilo della cavità in modo più coerente. La letteratura tecnica sul tema evidenzia che questa architettura può migliorare l’efficienza del raffreddamento, rendere più uniforme la temperatura dello stampo, ridurre distorsioni e contribuire alla riduzione del tempo ciclo. Una revisione pubblicata su The International Journal of Advanced Manufacturing Technology descrive proprio questi vantaggi, sottolineando anche il ruolo della simulazione CAE nella progettazione di canali efficaci.
Un altro studio open access su stampi producibili con additive manufacturing ha mostrato, su banco prova, una riduzione del tempo di raffreddamento fino al 41% rispetto a concetti convenzionali, usando inserti prodotti con processo laser-based powder bed fusion. Non significa che ogni stampo ottenga automaticamente lo stesso risultato, ma conferma perché il raffreddamento conformale sia interessante per chi deve ottimizzare lo stampaggio a iniezione.
Il materiale scelto: Uddeholm Tyrax ESR
Per l’inserto Rothe è stato scelto Uddeholm Tyrax ESR, un acciaio per stampi plastica ad alta durezza, resistenza alla corrosione e resistenza all’usura. La pagina tecnica di voestalpine High Performance Metals indica che Tyrax ESR può raggiungere elevata durezza, con valori consigliati tra 55 e 58 HRC, e che è disponibile anche in polvere per additive manufacturing, inclusi LPBF e Laser Metal Deposition.
Questa scelta ha senso per uno stampo destinato a lavorare in ambiente produttivo: lo stampo deve resistere all’usura, mantenere stabilità nel tempo e permettere una buona qualità superficiale del pezzo stampato. Tyrax ESR è pensato anche per plastiche ad alte prestazioni, spesso rinforzate con fibra di vetro o additivate con ritardanti di fiamma, condizioni che possono essere impegnative per la superficie dello stampo.
Il punto critico, però, è che un inserto LPBF non esce dalla macchina pronto per lo stampaggio. Le superfici generate nel letto di polvere hanno una rugosità propria del processo e, nelle zone funzionali, devono essere finite con lavorazioni sottrattive. In altre parole: la stampa 3D metallica consente geometrie interne difficili da ottenere con la sola fresatura, ma le superfici di accoppiamento, chiusura e impronta richiedono comunque lavorazioni CNC precise.
La difficoltà della finitura su acciaio duro
Nel caso Rothe, l’inserto stampato in 3D doveva essere portato alla geometria finale tramite fresatura su una Mikron HEM 500U. La lavorazione non era banale: si trattava di finire un acciaio duro, con valore di circa 58 HRC, prodotto con un processo additivo e destinato a uno stampo funzionale. Secondo la ricostruzione tecnica pubblicata da Fertigung, i primi tentativi di schlichten, cioè di finitura, basati sulle indicazioni del fornitore del materiale non hanno dato risultati accettabili: i taglienti dell’utensile si sono danneggiati dopo circa cinque minuti.
Questo passaggio è interessante perché mostra un aspetto spesso sottovalutato. La stampa 3D metallica non elimina le competenze tradizionali del reparto utensileria; al contrario, le rende ancora più importanti. Uno stampo LPBF con raffreddamento conformale ha valore solo se può essere completato con una catena di processo stabile: trattamento termico, staffaggio, strategie CAM, utensili, lubrorefrigerazione, controllo dimensionale e verifica finale.
In questo progetto, la difficoltà non era solo “fresare acciaio duro”. Era fresare in modo affidabile un inserto prodotto additivamente, con una superficie da portare a qualità stampo e senza consumare utensili in modo imprevedibile. Per un pezzo unico o per un inserto di alto valore, la rottura improvvisa dell’utensile non è solo un problema di costo utensile: può compromettere la superficie, causare rilavorazioni o mettere a rischio l’intero componente.
L’intervento di Hufschmied con il fresatore HC643FB
La soluzione individuata è stata il fresatore di finitura HC643FB di Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH. L’azienda è nota per utensili dedicati a materiali complessi e, nel proprio catalogo, include famiglie per plastica, grafite, acciai temprati, metalli non ferrosi, dentale, incisione e sbavatura.
Nel caso Rothe, l’utensile HC643FB è stato impiegato per la finitura dura dell’inserto. La fonte tecnica descrive il fresatore come progettato per lavorazioni fino a 72 HRC, con tre taglienti a divisione irregolare e una geometria a sfera appiattita che consente incrementi laterali superiori rispetto a un classico utensile sferico. Il corpo utensile è in metallo duro a grana ultrafine e utilizza una geometria Micro-Edge; la versione descritta è dotata di rivestimento TL12 in TiAlSi da 3 µm, applicato con processo Arc-PVD.
Il dato più concreto riguarda la durata. Nella lavorazione dell’inserto Rothe, la durata utile è arrivata ad almeno 18 ore. Dopo 15 ore di impiego, un utensile esaminato al microscopio risultava praticamente privo di usura visibile, secondo quanto riportato dal tecnico CNC Max Hahn.
Per Rothe, questo ha significato soprattutto processo prevedibile. Quando si lavora uno stampo o un inserto singolo, la produttività pura non è sempre il primo obiettivo. In molti casi è più importante completare la lavorazione senza interruzioni, senza cambio utensile non programmato e senza rischio di danneggiare il pezzo. Fertigung sottolinea infatti che l’azienda ha privilegiato la stabilità del processo rispetto alla ricerca immediata di velocità di taglio più spinte.
Il vero insegnamento per gli stampisti
Questo caso conferma un punto essenziale: la stampa 3D metallica, nel tooling, non va considerata come sostituto totale delle lavorazioni tradizionali. È più corretto vederla come una tecnologia che amplia le possibilità di progettazione dello stampo, soprattutto dove servono geometrie interne complesse. Ma dopo la costruzione additiva arrivano fasi decisive: finitura, lucidatura, controllo, eventuale elettroerosione, montaggio e validazione in pressa.
Per gli stampisti, l’interesse dell’LPBF non sta nel “fare in 3D” qualcosa che si poteva già fresare, ma nel produrre inserti con funzioni interne più intelligenti. Il raffreddamento conformale è l’esempio più chiaro: il canale non deve più essere rettilineo solo perché la punta del trapano lavora in linea retta. Può seguire la zona calda dello stampo, mantenere una distanza più regolare dalla superficie della cavità e aiutare a controllare meglio il raffreddamento della plastica.
Allo stesso tempo, il caso Rothe mostra che il successo dipende dall’integrazione tra additive manufacturing e lavorazione CNC. Se la post-lavorazione non è sotto controllo, il vantaggio dei canali conformali rischia di fermarsi prima della pressa. La scelta del materiale, dell’utensile e della strategia di fresatura diventa parte della progettazione dello stampo, non un dettaglio da risolvere alla fine.
LPBF e stampaggio a iniezione: una combinazione sempre più tecnica
La combinazione tra LPBF e stampaggio a iniezione richiede competenze diverse: progettazione termica, conoscenza dei materiali da stampo, simulazione, produzione additiva, trattamenti e lavorazioni sottrattive. Per questo motivo non basta acquistare una macchina di stampa 3D metallica o affidarsi a un service. Serve una filiera capace di ragionare sull’intero ciclo di vita dell’inserto.
Nel progetto Rothe entrano in gioco più aziende e competenze: Erich Rothe GmbH & Co. KG come utilizzatore e produttore di componenti plastici, Uddeholm/voestalpine per il materiale da stampo, Hufschmied Zerspanungssysteme per l’utensile di finitura e il know-how di lavorazione, oltre alla macchina CNC Mikron HEM 500U utilizzata per portare il componente alla forma finale. Il valore del caso sta proprio in questa catena: ogni passaggio deve funzionare perché lo stampo additivo diventi uno strumento produttivo.
Per il mondo dello stampaggio a iniezione, l’indicazione è chiara: i canali conformali possono aiutare a ridurre i tempi ciclo e migliorare il controllo termico, ma la convenienza va valutata sul singolo stampo. Geometria del pezzo, materiale plastico, volumi produttivi, punti caldi, qualità richiesta e costo dell’inserto sono tutti elementi da considerare.
Il messaggio più utile è quindi pratico: lo stampo stampato in 3D non è “finito” quando esce dalla macchina LPBF. È finito quando può lavorare in pressa con affidabilità. E in molti casi, come dimostra l’esperienza di Rothe con Hufschmied, la differenza la fa proprio la fase meno appariscente: la finitura dura eseguita con l’utensile giusto.
