I servizi di stampaggio inserti sono uno dei principali servizi offerti dalle piattaforme di produzione digitale. Tale servizio accelera il ciclo di sviluppo del prodotto nei settori medico, automobilistico, dei prodotti di consumo e dell’elettronica. Il fatto è che, sebbene gli operatori non mettano più in dubbio la capacità delle tecnologie di produzione additiva di produrre un risultato molto più conveniente rispetto agli utensili convenzionali e alla produzione di stampi, si chiedono comunque quale tecnologia AM sia più adatta alla produzione di inserti per stampi prototipo.

Quindi : Fusione laser su letto di polvere o getto di materiale, quale tecnologia è più adatta per la produzione di inserti per stampi personalizzati?

da 3dadept.com

L’ascesa della stampa 3D ha avuto un impatto non solo sulla produzione di parti per uso finale come tecnologia di produzione diretta, ma anche come tecnologia di produzione indiretta. Ad esempio, la produzione additiva viene talvolta utilizzata per creare stampi per la colata in uretano o silicone. In altre circostanze, viene utilizzato per creare strumenti come maschere o dispositivi che migliorano le prestazioni delle celle di lavorazione. Questa capacità di creare strumenti personalizzati per i processi di produzione tradizionali si estende anche al campo dello stampaggio a iniezione, dove la tecnologia di stampa 3D viene utilizzata per creare inserti personalizzati per stampi a iniezione. Ma quando si tratta di creare un inserto per stampi personalizzato, quale tecnologia è la migliore? Abbiamo parlato con alcuni esperti di fabbricazione digitale per saperne di più su due delle tecnologie di stampa 3D più popolari utilizzate per questa applicazione, il getto di materiale e la fusione del letto di polvere laser.

L’uso di tecnologie di produzione additiva per la produzione di inserti per stampi
Nel tentativo di soddisfare le esigenze di personalizzazione di massa, le aziende AM hanno esplorato i propri processi di produzione per produrre gli utensili utilizzati nello stampaggio a iniezione, con diversi livelli di successo.

“  Teoricamente, qualsiasi tecnologia AM può essere utilizzata. Verrebbe subito in mente la stampa 3D per estrusione che è probabilmente la tecnologia più utilizzata per la prototipazione, ma probabilmente è perché è la tecnologia con cui le persone hanno più familiarità. Non c’è motivo per non utilizzare SLS, altri processi a letto di polvere come l’e-beam o persino il getto di legante. Alla fine della giornata, sono i risultati che contano di più  ” , ha detto in anticipo Cullen Hilkene , CEO di 3Diligent a 3D ADEPT Media.

Finora, la maggior parte delle applicazioni condivise dalle aziende sono state realizzate utilizzando tecnologie DLP, SLA, Freeform Injection Molding, SLS, DMLS/SLM e PolyJet. Tuttavia, DMLS e PolyJet sono le tecnologie più citate per tali applicazioni, quindi in questo breve ci concentreremo solo su queste due tecnologie.

Ciò premesso, indipendentemente dalla tecnologia AM utilizzata, l’ottica manifatturiera rivela che ”  tradizionalmente lo stampaggio con inserti metallici viene effettuato con l’obiettivo di esaltare le proprietà meccaniche degli inserti, ridurre i tempi ciclo e ottenere articoli stampati con una migliore qualità estetico/dimensionale. »

Inoltre, sempre secondo gli esperti ZARE, un altro obiettivo produttivo sarebbe quello di integrare un articolo con specifiche proprietà termiche in uno stampo realizzato con un materiale diverso.

Inoltre “  un altro utilizzo più critico riguarda la realizzazione di particolari canali di raffreddamento equidistanti dalla superficie. Questi canali di raffreddamento consentono una maggiore dissipazione del calore nell’unità di tempo, con la conseguenza di ridurre la durata del ciclo di stampaggio e di ridurre le deformazioni sul prodotto finito, aumentando così la qualità del prodotto finale  “, hanno affermato.

Breve descrizione della fusione a letto di polvere DMLS/laser (LPBF).
Didascalia: Immagine tramite 3Diligent – Spiegazione del processo di fusione del letto di polvere
 

Innanzitutto, si noti che mentre la tecnologia DMLS è spesso utilizzata in modo intercambiabile con la tecnologia SLM o LPBF, va chiarito che la tecnologia DMLS è un marchio di EOS, SLM, un termine introdotto dall’Istituto Fraunhofer nel 1995, mentre LPBF è il nome generico dato a il processo di fabbricazione. Ecco perché il termine “  fusione laser a letto di polvere  ” sarà quello utilizzato in questo dossier.

Chiariamo ogni confusione che potrebbe sorgere qui: DMLS, che sta per Direct Metal Laser Sintering, contiene la parola “Sintering” quando in realtà funziona per fusione. Allo stesso modo, l’LPBF usa la parola “Fusion” quando non puoi fondere una plastica, devi sinterizzarla.

Ad ogni modo, per chi non lo conoscesse, questo processo produttivo produce ”  parti sagomate taglienti e quasi affilate direttamente da un file di disegno digitale con tolleranze dimensionali inferiori a 0,1 mm  ” grazie all’interazione tra un laser ad alta energia e una carica di polvere metallica .

Durante il processo di costruzione, la macchina riempie la sua camera di costruzione con un gas inerte e quindi la riscalda alla temperatura di stampa ideale. A seconda dello spessore dello strato precedentemente definito (solitamente 0,1 mm di spessore del materiale), sulla piattaforma di stampa viene applicato uno strato sottile di polvere. Una volta che il laser a fibra ottica (200/400 W) scansiona la sezione trasversale del pezzo, consente alle particelle di metallo di fondersi insieme. Un nuovo strato di polvere viene steso sullo strato precedente usando un rullo. Altri livelli o sezioni trasversali vengono uniti e aggiunti. Il processo viene ripetuto fino a quando la parte stampata in 3D non è completamente costruita.

Breve descrizione del processo PolyJet/Material Jetting
Getto di materiale
Il PolyJet è un processo di produzione che opera in modo continuo o su richiesta ( DOD = Drop on Demand ). Con un processo simile a quello di una stampante a getto d’inchiostro bidimensionale, costruisce parti sparando migliaia di goccioline di fotopolimero su una piattaforma di stampa e solidificandole con la luce UV.

Negli anni 2000, Objet-Geometries è stata la prima azienda a sviluppare una stampante 3D con questo processo, che ha brevettato con il nome di PolyJet. Undici anni dopo, nel 2011, Stratasys ha acquisito Objet e da allora ha ampliato la sua linea di prodotti includendo soluzioni Material Jetting ( MJ ).

Oggi, il nome PolyJet rimane associato alle stampanti 3D Stratasys. Tuttavia, Stratasys non è l’unica azienda a sviluppare stampanti 3D industriali basate su questo processo, motivo per cui il termine “Material Jetting” verrà utilizzato in questo approccio, poiché si riferisce al nome generale di questo processo di produzione.

Il processo di stampa inizia con il versamento della resina fotopolimerica nel contenitore del materiale. Questa resina deve essere riscaldata (tra 30 e 60°C) per raggiungere la viscosità appropriata.

Quando il carrello dell’asse X inizia a muoversi sulla piastra di stampa, le testine di stampa iniziano a sparare selettivamente centinaia di minuscole goccioline di resina. Le sorgenti di luce UV seguono il percorso delle testine di stampa e polimerizzano istantaneamente la resina spruzzata. Una volta completato un intero livello, la piattaforma di costruzione scende di uno strato in altezza e il processo viene ripetuto fino a quando la parte non è completamente formata.

Con i progressi tecnologici, i produttori di macchine hanno sviluppato stampanti 3D con più testine di stampa per ottenere la stampa multi-materiale. A seconda della macchina utilizzata, le stampanti 3D multimateriale possono consentire l’utilizzo di un materiale di supporto solubile o più varietà o colori di materiale funzionale.

Inoltre, nel tempo, sono state sviluppate diverse tipologie di tecnologie di spruzzatura dei materiali per soddisfare le diverse esigenze delle industrie. Questi includono, ad esempio, processi di getto di materiale che funzionano con resina e cartucce, processi di getto di materiale che funzionano con inchiostro, processi di getto di materiale che funzionano con cera e cartucce o persino processi di getto di materiale che funzionano con metallo e cartucce.

”  Sebbene sia importante distinguere tra getto di materiale con metalli e plastica, vale la pena notare che gli inserti per stampi sono in genere realizzati in metallo  “, osserva Hilkene.

Tuttavia, ciò non significa che sia impossibile produrre un inserto per stampi in plastica. Infatti, le suddette tecnologie AM che possono essere utilizzate per produrre inserti per stampi includono FFF che lavora le materie plastiche. L’obiettivo qui è capire cosa spiega il passaggio dai processi di produzione tradizionali ai processi di produzione additiva, quindi la scelta di una specifica tecnologia AM piuttosto che un’altra.

In questo caso, molte delle tradizionali difficoltà della progettazione per lo stampaggio a iniezione di metalli si sono presentate nella progettazione di utensili in plastica. Tuttavia, la maggior parte di questi problemi è spesso amplificata a causa della finitura superficiale più scadente di uno stampo stampato in 3D rispetto a uno stampo in metallo simile, da qui la scelta di un processo AM in metallo per questa produzione.

Inoltre, la ricerca mostra che gli inserti per stampi in plastica stampati in 3D hanno rivoluzionato la produzione di stampi nel settore della lavorazione della plastica. Il basso costo degli stampi e la rapida implementazione delle modifiche al design hanno attirato inizialmente gli utenti, fino a quando non si sono resi conto che i risultati non erano sempre sostenibili. Inoltre, a causa delle temperature dei materiali più elevate e delle elevate pressioni di iniezione, i cicli di lavoro degli stampi in plastica stampati in 3D spesso diminuiscono. La ricerca di soluzioni più stabili per piccole serie e medie quantità ha portato molti produttori a considerare alternative in metallo AM.

Per la produzione di inserti per stampi, cosa farà pendere la bilancia a favore di LPBF o MJ? 
Immagine tramite ZARE – Inserti per stampi
Per valutare quale tecnologia è più adatta per la produzione di inserti per stampi, abbiamo confrontato queste due tecnologie in base a cinque criteri principali: complessità della geometria, post-elaborazione, tempistica, volume di produzione e costi .

Questa analisi si basa principalmente sulla nostra intervista con Cullen Hilkene , CEO di 3Diligent, un’azienda che realizza la produzione digitale distribuita. Anche i contributi esterni di altre aziende e la ricerca hanno fornito la valutazione più accurata di questi processi.

Complessità della geometria
Inutile dire che alcuni prodotti sono facili da fabbricare mediante stampaggio a iniezione grazie al loro design e alle dimensioni semplici a cavità singola. Tuttavia, non è un segreto che AM sia attraente grazie alla sua capacità di produrre geometrie complesse, inclusi canali di raffreddamento complessi.

Secondo Hilkene, il processo LPBF guadagna un punto qui, poiché la tecnologia è adatta per il raffreddamento di parti con forme complesse. Secondo l’esperto, la sfida di produzione consiste nel mantenere una temperatura uniforme sulla superficie dello stampo per raffreddare l’hot melt all’interno della cavità. Non solo questo processo di raffreddamento richiede tempo, ma spesso si traduce in elevati costi di produzione. Per dissipare il calore in brevissimo tempo durante il processo di fabbricazione, gli ingegneri devono ricostruire il canale di raffreddamento vicino alla superficie del pezzo. Rispetto alla fresatura tradizionale, il processo LPBF apporta miglioramenti significativi a questo livello perché offre agli ingegneri la possibilità di progettare geometrie libere, fondendo le polveri metalliche strato su strato,

 Post trattamento
Alcune tecnologie AM non richiedono la post-elaborazione una volta completata la fase di produzione. In questo caso, il processo LPBF perde un punto perché la tecnologia ”  non stampa sempre in modo fluido come altri processi di produzione, da qui la necessità di una fase di post-elaborazione alla fine del processo di produzione”. “stampa “, osserva l’amministratore delegato di 3Diligente.

D’altra parte, per le applicazioni in cui la resistenza all’usura non è più il fattore più critico, Material Jetting è noto per fornire parti stampate in 3D con alta precisione ed eccellente finitura superficiale.

Tempi, costi e volumi di produzione
Rispetto ai processi di produzione convenzionali che spesso richiedono diverse settimane, entrambi i processi AM fanno risparmiare tempo agli operatori. Tuttavia, confrontando questi processi LPBF e MJ, si scopre che LPBF è più costoso e richiede più tempo di produzione rispetto a MJ.

Non solo il processo di produzione con il processo LPBF richiede una fase di post-elaborazione aggiuntiva – che è già considerata la fase più costosa dell’intero processo produttivo – ma a volte la produzione di inserti per stampi deve soddisfare soluzioni specifiche del cliente che non possono essere definite in anticipo.

Quando si tratta di volume, uno dei primi passi nella produzione è di solito determinare se uno stampo verrà utilizzato per realizzare 30 o 30.000 parti. Una volta approvati i prototipi, i processi di produzione convenzionali di solito diventano l’opzione ideale per la produzione di massa. Tuttavia, tra i due processi produttivi che analizziamo oggi, si scopre che il Material Jetting è più adatto alla produzione di stampi a basse tirature.

  

E adesso ?
Non possiamo dire con certezza che le sfide relative alla progettazione degli utensili nei settori dello stampaggio a iniezione saranno tutte affrontate nel prossimo futuro. Possiamo però testimoniare i diversi processi produttivi che oggi consentono di produrre un utensile dalle geometrie complesse, ”  con dimensioni precise, alimentazione di materiale nella cavità, canali di raffreddamento e facile espulsione del pezzo solidificato  ” . .

Due di queste tecnologie sono state valutate oggi. Quello che ricorderemo è che gli inserti per stampi stampati in 3D possono essere prodotti in tempi rapidi (1-2 settimane, rispetto a 5+ settimane con la fresatura tradizionale). Ancora più importante, le tecnologie AM sono ideali per la progettazione di stampi in cui sono probabili modifiche o iterazioni, per parti relativamente piccole (meno di 150 mm) e per basse quantità di produzione.

Nonostante questi progressi nella produzione, va notato che non sempre sappiamo se queste parti stampate in 3D vengono rilasciate sul mercato come prodotto autonomo o come parte di una struttura più ampia. Per non parlare del fatto che non esiste una chiara indicazione del ciclo di vita di uno stampo stampato in 3D.

Di Fantasy

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