La stampa 3D metallo per il raffreddamento degli stampi a iniezione

La stampa 3D metallo per il raffreddamento degli stampi a iniezione
Bastech dimostra che il sistema completo di 3D Systems (in Italia distribuito da 3DZ) per il
raffreddamento tramite canali conformati nello stampaggio a iniezione ottimizza l’intero
processo produttivo. Si hanno risparmi del 70% nel tempo di progettazione dello stampo e
16% del costo dello stampo stesso. Il tutto con numeri alla mano, come evidenziato dalle
tabelle di comparazione presenti nell’articolo e nei video correlati.
Lo stampaggio a iniezione è un processo di produzione industriale in cui un materiale plastico viene fuso
(plastificato) e iniettato ad elevata pressione all’interno di uno stampo chiuso, che viene aperto dopo il raffreddamento del manufatto. La sfida di questo processo è, da sempre, mantenere la temperatura costante
su tutta la superficie dello stampo chiuso (per avere prodotti di qualità) e minimizzare il ciclo produttivo (per
produrre un maggior numero di pezzi). Per raggiungere temperature uniformi nello stampo, i produttori hanno usato, negli anni, vari tipi di soluzioni, fino ad arrivare alla creazione di canali di raffreddamento progettati
all’interno dello stampo stesso. I canali variano, chiaramente, a seconda dello stampo che si realizza di volta
in volta.
La funzionalità dello stampo e la qualità dei pezzi dipende fortemente dalla posizione dei canali di raffreddamento rispetto alle cavità. Il circuito di raffreddamento deve passare il più vicino possibile alle cavità, per
permettere un raffreddamento degli stampi a iniezione che sia il più breve possibile e quindi ridurre il tempo
di ciclo produttivo.
Le tecnologie utilizzate nei decenni per la realizzazione nello stampo dei canali di raffreddamento sono state la tradizionale foratura,
che permette di ottenere canali rettilinei e di sezione esclusivamente circolare. Si tratta di tradizionali lavorazioni meccaniche per
asportazione di truciolo, quindi con limitate possibilità geometriche.
Con l’introduzione della stampa 3D a metallo, che si basa sull’addizione di polveri metalliche, si possono realizzare canali che possono seguire molto fedelmente la forma tridimensionale delle superfici dell’impronta, per questo detti “conformali”.
“La metodologia denominata rock-solid da Bastech”
Bastech, un centro di servizi per l’iniezione conto terzi, specializzato in stampa 3D che si trova in America, nell’Ohio,
conosce bene la problematica legata al raffreddamento
degli stampi e ha trovato un metodo efficace ed allo stesso semplice per ottenere un processo ottimale. Il CEO di
Bashtec ha voluto condividere i successi ottenuti analizzando i risultati di due test reali effettuati, confrontando il
metodo tradizionale e tramite canali conformati realizzati
in stampa 3D. La forte collaborazione con le soluzioni di
3D Systems (in Italia distribuite da 3DZ con 7 sedi in Italia) ha permesso la svolta. Bastech ha introdotto la stampa
3D a metallo con la macchina ProX 200, affiancandola a
software specifici per gli stampi di 3D Systems, Geomagic
Control e Climatron mold-making software.
Con una integrazione tra il mondo digitale (software Geomagic) e quello fisico (Stampa 3D metallo), il processo ha portato complessivamente ad una riduzione del 70% del tempo di progettazione e del 16% del costo
dello stampo: con risultati qiualitativi che sono mgliori dei metodi tradizionali.
La stampa 3D si è rivelata una tecnica ideale per la costruzione di componenti complessi geometricamente
e provvisti internamente di una rete sagomata di canali, con ramificazioni secondarie per il raffreddamento
in parallelo: permette infatti una assoluta libertà nella realizzazione dei percorsi e delle forme delle sezioni.
Possibilità che permette di ottimizzare il condizionamento dello stampo. E nello stampaggio delle materie
plastiche ottimizzare il condizionamento dello stampo significa ridurre il tempo ciclo, migliorare la qualità
estetica del prodotto grazie a una termoregolazione uniforme, riduzione delle tensioni residue e quindi delle
deformazioni sul pezzo.
L’inserto in stampa 3D viene realizzato per avere una vita pari a quella dell’intero stampo e garantire elevate
tirature produttive. Grazie alla qualità delle polveri utilizzate, le caratteristiche meccaniche, di resistenza
e di lavorabilità dell’inserto sono praticamente identiche se non migliori a quelle riscontrabili in un acciaio
forgiato. Oltre al trattamento termico di invecchiamento (mediante il quale è raggiungibile una durezza di 5254 HRC) sono inoltre possibili diversi trattamenti superficiali (nitrurazione, nichelatura, PVD). Qualora fosse
necessario inoltre, l’inserto ottenuto può essere modificato o sottoposto a saldatura laser, lucidatura e altre
lavorazioni come un qualsiasi tassello tradizionale.
Nel video di presentazione dei risultati del test di Bastech, il CEO Ben Stuab presenta in dettaglio come “L’uso
combinato di potenti software sviluppati per sfruttare al meglio le potenzialità della stampa 3D, in combinazione
con stampanti 3D metallo che producono componenti perfetti, forniscono il perfetto mix per creare stampi ad
iniezione personalizzati e con un efficacia estrema”.
L’approfondimento - Automatizzare la progettazione e l’analisi
Bastech, azienda specializzata in stampi ad iniezione, ha accuratamente dimostrato con dei casi reali, come con l’utilizzo della stampa 3D a metallo ci sia un importante ritorno dell’investimento.
Il primo test di Bastech ha confrontato due componenti molto
simili in termini di volume, dimensione e forma. Uno è stato progettato con un corpo centrale con canale di raffreddamento conformato e quindi stampato in 3D, l’altro è stato
progettato con una configurazione tradizionale e con un diaframma di raffreddamento a spirale, realizzato con metodi
tradizionali. Il progetto di raffreddamento tramite canali conformati è stato realizzato con Cimatron, un software CAD/
CAM che copre tutto il ciclo di produzione degli stampi, sempre distribuito da 3DZ in Italia. Progettare con software perfettamente integrati con soluzioni di stampa 3D permette di
avere un flusso di lavoro ottimizzato per la riduzione di costi
e tempi di produzione.
Grandi risparmi di tempo – i risultati del primo test
I canali conformati di raffreddamento sono stati progettati per poi essere stampati in 3D grazie alla ProX 200
della 3DZ. Sono stati creati in modo che la distanza dalle pareti fosse sempre costante in tutti i lati dell’elica e
che fosse possibile realizzare in un’unica stampa 3D (per evitare ulteriori lavorazioni). Nel video che accompagna questo articolo, si vede la progettazione di tali canali e la successiva realizzazione tramite stampa 3D.
La progettazione dello stampo ha richiesto solo due giorni ed è stato creato con la ProX DMP 200 in tre giorni.
Per massimizzare la sua produttività, Bastech ha inoltre aggiunto alla stampa altri componenti che servivano
ad altri progetti. La ProX DMP 200 è un’alternativa economicamente vantaggiosa ai processi di produzione
tradizionali, con vantaggi evidenti quali sprechi ridotti, maggiori velocità di produzione, brevi tempi di installazione, componenti in metallo estremamente densi e la capacità di produrre in una singola parte quelli che
sarebbero degli assemblati complessi.
“Dai test fatti e dalle analisi dei dati in nostro possesso”, continua
Staub di Bashtec “la stampa 3D a metallo nel settore degli stampi è
uno strumento che aumenta le nostre potenzialità dandoci maggiori
strumenti di produzione, flessibilità e risolve molti problemi di raffreddamento. Possiamo risparmiare 30-40 ore per stampo eliminando lavorazioni manuali, riducendo drasticamente il tempo di utilizzo
dei centri di lavoro CNC e laboriosi lavori di rifinitura dello stampo
stesso.”
Entrando nello specifico del test dell’elica (primo test effettuato), la progettazione e l’analisi con il software
Cimatron, combinato all’uso della stampa 3D con la ProX DMP 200, ha permesso, afferma Joung (direttore
dipartimento di ingegneria), di risparmiare più di 40 ore tra la progettazione e realizzazione dello stampo.
Considerando tutti i costi, il corpo centrale stampato in 3D ha generato un risparmio netto di 1765 dollari
(risparmio del 18%) rispetto i metodi tradizionali.
Anche i tempi di produzione si sono ridotti, infatti lo stampo con canali conformati ha mantenuto una temperatura più bassa durante lo stampaggio, riducendo i tempi di produzione del 22%. La durata del ciclo di
produzione (maggiore redditività) assieme a temperature costanti nello stampo (qualità dei pezzi ottenuti)
sono i due parametri principali nello stampaggio ad iniezione. Con gli strumenti di 3D Systems si ottengono
ottimi risultati in entrambi i fronti.
“Più riusciamo a mantenere la temperatura uniforme e costante, più possiamo stampare componenti di qualità” continua Youg. “Eliminare i momenti di deformazione dovuti alle variazioni di temperatura e riducendo i
tempi del ciclo è un enorme guadagno nella performance”.
Vantaggi confermati da un secondo test
In un secondo test, Bastech si è voluta spingere oltre, progettando uno stampo particolarmente complesso,
con presenza di canali conformati di raffreddamento e altre cavità. L’obiettivo del test è stato di mantenere
la stessa temperatura (110F) tra il design convenzionale e quello conformato per verificare come questo
avrebbe influito sul raffreddamento e sui tempi del ciclo di produzione.
La tabella “benchmark 1” (sopra) riporta in dettaglio i cicli produttivi e relativi risultati ottenuti.
Ancora una volta, i risparmi di tempo più considerevoli sono stati registrati nella progettazione, nella produzione e nella lucidatura. Inoltre il processo
EDM (metodo di erosione di materiale grazie ad una
serie di scariche elettriche tra l’elettrodo della macchina ed il pezzo da lavorare) è stato completamente
rimosso grazie alla creazione di canali di raffreddamento. Questo ha permesso un’ ulteriore snellimento
dell’intero processo. L’automazione interna al software Cimatron ha ridotto i tempi di progettazione da
30 ore fino a 7 ore per lo stampo con raffreddamento
tramite canali conformanti.
Oltre al risparmio nella progettazione si è avuto
un risparmio del 16% del costo di produzione dello
stampo stesso, il cui costo è stato di 2505 dollari
(come si vede nella tabella “benchmark 2” - a lato).
I tempi di raffreddamento sono stati ridotti dai 10.5 secondi per lo stampo tradizionale a 7.5 secondi per
quello conformato con conseguente riduzione dei tempi del ciclo produttivo del 14%.
Un considerevole impatto sul bilancio finale
“Il desiderio di ottenere dei tempi di raffreddamento migliori c’è da moltissimo tempo in questo settore,” afferma Young. “Ora abbiamo il software ottimale che aiuta gli stampisti a fare delle scelte migliori su come impostare le cavità, i corpi centrali e gli inserti, con la possibilità poi di essere realizzati grazie alla stampa 3D.”
La stampa 3D a metallo, continua il CEO di Bastech, permette vantaggi enormi per il raffreddamento degli
stampi a iniezione. I risultati sono confermati dai dati dei test presentati in questo articolo: mentre con i
metodi classici di raffreddamento si può solamente forare in alcuni punti e non si può far curvare i fori lungo
i canali, con la stampa 3D a metallo si possono creare dei canali di raffreddamento che seguono fedelmente
la geometria del pezzo che si vuole ottenere.
"Molti produttori di utensili avranno bisogno di adottare questa tecnologia per migliorare la loro produzione,”
afferma. “abbiamo voluto condividere il nostro successo per dimostrare che non solo è un processo fattibile, ma
anche che porta un ritorno dell’investimento importante anche nel breve periodo".