prototipazione di precisione

PROTOTIPAZIONE DI PRECISIONE:
IL RUOLO DEGLI STAMPI IN 3D NEL SETTORE DELLO
STAMPAGGIO A INIEZIONE
di Lior Zonder, Applications Team Leader
Nadav Sella, Solutions Sales Manager, Global Field Operations
INTRODUZIONE
Lo stampaggio a iniezione — il processo di iniezione di materiale plastico in una cavità dello stampo dove si raffredda e
indurisce assumendo la configurazione della cavità — è utilizzato principalmente per la produzione in grandi volumi di
parti e prodotti finali tridimensionali (3), spesso complessi. Tuttavia, lo sviluppo di stampi per questo processo è spesso
un’attività laboriosa, estremamente lunga e costosa.
Gli stampi “pesanti” (hard-tooling) sono in genere prodotti in acciaio per utensili con macchine fresatrici CNC oppure
mediante elettroerosione (EDM). Se utilizzati nella produzione in serie, possono durare milioni di cicli, ma costano
centinaia di migliaia di dollari. Inoltre, il lead time richiesto per produrre questi stampi è spesso dell’ordine di mesi, non
di settimane o giorni.
Quando si richiedono decine di migliaia di parti stampate a iniezione, la tecnica del soft-tooling è una possibile
soluzione. Realizzati in alluminio, questi stampi sono meno costosi (generalmente € 2,500 - € 25,000) e più veloci da
produrre (2 - 6 settimane).
Sfortunatamente il costo e il tempo degli stampi è spesso aggravato da fattori quali errori di progettazione che
richiedono il rifacimento dello stampo o la necessità di creare più iterazioni prima di raggiungere il design e la qualità
della parte finale desiderati. Consapevoli di tutti questi aspetti, i produttori hanno iniziato a utilizzare stampi in 3D per
creare prototipi stampati a iniezione.
F O R A 3 D W O R L D TM
White Paper
STAMPI IN 3D CON TECNOLOGIA POLYJET:
L’ALTERNATIVA MODERNA
La tecnologia PolyJet è un metodo esclusivo di stampa 3D
offerto dalle stampanti 3D Objet™ di Stratasys® grazie al
quale le aziende sono in grado di costruire stampi a iniezione
internamente, in tempi rapidi e con facilità. La stampa PolyJet
crea oggetti 3D depositando strati successivi di un fotopolimero
liquido nelle configurazioni desiderate. La plastica viene quindi
solidificata mediante un processo di indurimento con raggi
UV al termine del quale gli stampi possono essere installati
immediatamente nel sistema di stampaggio a iniezione per
creare prototipi nello stesso materiale che si intende utilizzare
per il prodotto finale. Questi prototipi di precisione offrono alle
aziende manifatturiere la possibilità di creare esempi realistici
del prodotto finale, da utilizzare per raccogliere dati sulle
prestazioni dello stesso più aderenti alla realtà.
Gli stampi in 3D PolyJet non sono volti a sostituire gli utensili
(leggeri o pesanti) utilizzati per la produzione di medi-alti volumi.
La loro finalità è piuttosto di colmare il divario tra gli stampi
da soft-tooling e i prototipi stampati in 3D. Il grafico seguente
(Figura 1) mostra la nicchia occupata dalla tecnologia PolyJet
nel processo di sviluppo dei prototipi.
Aspetti chiave correlati agli stampi in 3D PolyJet:
• Il costo inziale di creazione dello stampo con tecnologia
PolyJet è relativamente basso. Tuttavia, gli stampi PolyJet
sono particolarmente adatti per cicli fino a 100 parti, in base
al tipo di termoplastica utilizzato e al livello di complessità
dello stampo. Di conseguenza, il costo per parte è medio.
• La costruzione di uno stampo PolyJet è relativamente veloce;
è possibile realizzare uno stampo in poche ore, non servono
giorni o settimane come nel caso degli stampi tradizionali.
• Nel caso in cui siano richieste delle modifiche al progetto,
è poi possibile creare una nuova iterazione dello stampo
internamente a un costo minimo. Questo aspetto, assieme
alla velocità della stampa 3D PolyJet, offre ai progettisti e
ingegneri una maggiore libertà di progettazione.
• Gli stampi creati nel materiale Digital ABS possono essere
costruiti in sottilissimi strati da 30 micro, con una precisione fino
a 0,1 mm. Queste caratteristiche di produzione permettono
di ottenere superfici estremamente lisce, eliminando così
nella maggior parte dei casi la necessità di una lavorazione
successiva.
• Geometrie complesse, pareti sottili e dettagli fini possono
essere facilmente programmati nel progetto dello stampo.
Inoltre, questi stampi non sono più costosi di versioni più
semplici degli stessi.
• Per la creazione degli stampi 3D PolyJet non è nemmeno
necessaria alcuna programmazione preliminare. Inoltre,
dopo aver caricato i file CAD, il processo di stampa 3D può
Metodi di produzione dei
prototipi
Quantità ottimale
di parti
Materiale usato per
produrre i prototipi
Costo
medio/
stampo
Costo
medio/
parte
Tempo medio/
parte
Stampa 3D*
1-10
FDM o plastica PolyJet
N/D
Alto
Alto
Fresatura meccanica
1 – 100
Termoplastica
N/D
Alto
Medio
Stampaggio con silicone
5 – 100
Termoindurente
Basso
Medio
Alto
Stampaggio a iniezione con
10 – 100
Termoplastica
Basso
Medio
Medio
100 – 20,000+
Termoplastica
Alto
Basso
Molto basso
stampo in 3D PolyJet
Stampaggio a iniezione con
soft-tooling
Figura 1. Caratteristiche della stampa PolyJet a confronto con i metodi tradizionali di produzione dei prototipi.
* Sebbene i processi FDM e di sinterizzazione laser utilizzino termoplastiche per la creazione dei prototipi, le proprietà meccaniche non saranno equivalenti a quelle
di una parte stampata a iniezione perché a) i processi usati per creare i prototipi sono diversi, e b) i materiali usati per creare i prototipi con FDM e sinterizzazione
laser non sono generalmente uguali ai materiali usati per le parti finali stampate a iniezione
2
essere svolto senza alcun intervento manuale.
• Il tempo richiesto per stampare a iniezione una parte
utilizzano uno stampo PolyJet è relativamente breve, tuttavia
non al livello dello stampaggio convenzionale.
SELEZIONE DEI MATERIALI
Un’adeguata selezione dei materiali è importante per il
successo della stampa a iniezione utilizzando stampi PolyJet.
Digital ABS è la scelta migliore per la stampa in 3D degli
stampi a iniezione, in quanto combina la robustezza alla
resistenza alle alte temperature. Altri materiali PolyJet come
FullCure®720 e Vero offrono anch’essi le stesse prestazioni di
stampi convenzionali per stampaggio a iniezione. Se utilizzati
per creare parti con geometrie complesse, gli stampi in questi
materiali avranno una vita più breve rispetto a quelli in Digital
ABS.
I materiali migliori per creare parti stampate a iniezione sono
quelli con temperature di stampaggio ragionevoli (< 300 °C /
570 °F) e buone condizioni del flusso. I candidati ideali sono:
• Polietilene (PE)
• Polipropilene (PP)
• Polistirene (PS)
• Acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS)
• Elastomero termoplastico (TPE)
• Poliammide (PA)
• Poliossimetilene o acetal (POM)
• Miscela policarbonato-ABS (PC-ABS)
A= •
•
•
•
•
Polietilene (PE)
Polipropilene (PP)
Polistirene (PS)
Acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS)
Elastomero termoplastico (TPE)
B= •
•
•
•
Polipropilene con fibra di vetro (PP+G)
Poliammide (PA)
Acetal (poliossimetilene [POM])
Miscela policarbonato-ABS (PC+ABS)
C= • Poliammide con fibra di vetro (PA+G)
• Policarbonato (PC)
• Acetal con fibra di vetro (POM+G)
D= • Policarbonato con fibra di vetro (PC+G)
• Ossido di polipropilene (PPO)
• Solfuro di polifenilene (PPS)
Figura 2. Numero previsto di parti per classe di materiale*
* I numeri variano in base alle geometrie e alle dimensioni delle parti stampate
a iniezione.
• Polipropilene o resina con fibre di vetro (G)
Plastiche che richiedono temperature di lavorazione di 250°C
(480°F) o superiori, oppure materiali con un’alta viscosità alla
temperatura di lavorazione, riducono la vita dello stampa e, in
alcuni casi, la qualità della parte finita.
La Figura 2 riepiloga il numero di parti generalmente ottenibile
con i diversi metodi di produzione degli utensili. È utile inoltre
esaminare la seguente analisi dei costi e dei benefici per
comprendere come utilizzare lo stampaggio a iniezione con
uno stampo PolyJet rispetto allo stampaggio a iniezione con
stampo in alluminio.
Come si vede nella tabella sotto (Figura 3), i risparmi in termini
di tempo sono stati molto significativi (da alcuni giorni a diverse
settimane). Oltre a ciò, il costo per produrre gli stampi è stato
generalmente dal 40% al 75% più basso.
PROVE SUL CAMPO
In collaborazione con Nypro Healthcare, produttore globale
di prodotti in plastica di precisione per il settore sanitario e il
packaging con sede a Bray, in Irlanda, Stratasys ha condotto
una serie di test per valutare le prestazioni di anime di
stampi e cavità realizzati mediante prototipazione rapida con
caratteristiche critiche che includevano:
• Ingranaggi
3
• Denti d’arresto
• Gambe a incastro
• Fermi
Durante una delle molte prove condotte, sono stati stampati a
iniezione dei campioni in ABS utilizzando un singolo stampo
3D PolyJet costruito nel materiale Digital ABS. Sono stati
quindi rilevati parametri quali pressione massima, cuscino e
temperature di anima e cavità.
La tabella seguente presenta i parametri di stampaggio a
iniezione utilizzati per le prime 25 iniezioni dopo l’ottimizzazione
dello stampo.
Al termine delle prove, lo stampo è stato giudicato stabile,
come indicano la pressione di iniezione costante e la quota di
cuscino. Inoltre, utilizzando la procedura raccomandata per il
raffreddamento dello stampo, la temperatura di anima e cavità
non ha superato i 58° C. Ma soprattutto, la qualità dei prototipi
stampati a iniezione è stata ritenuta “buona” da Nypro.
L’analisi dei risultati ha permesso a Nypro di affermare: “L’esito
delle prove di stampaggio a iniezione è stato molto positivo... il
processo di stampa di anime e cavità può essere considerato
vantaggioso in termini di tempo, valutazioni iniziali della
funzionalità e minore costo degli utensili”.
Alluminio
Digital ABS
Costo
Lead-time
Costo*
Leadtime
Componenti
$1,670
7 giorni
$1,000
24 ore
• Objet500 Connex
• 810 gr RGD535
• 1408 gr RGD515
• 100 gr supporto
Digital ABS
$1,400
30 giorni
$396
7 ore
• Objet260 Connex
• 400 gr RGD535
• 480 gr RGD515
• 100 gr supporto
Set di sei (6) cucchiaini da gelato
in PP
$1,900
4 giorni
$614
13 ore
• Objet350 Connex
• 500 gr RGD535
• 876 gr RGD515
• 100 gr supporto
Stampo in Digital ABS per
la produzione di un tappo filettato
Figura 3. Analisi costo/beneficio in termini di tempo e costo di costruzione (confronto con stampi di alluminio).
* Il costo per la stampa 3D è stato calcolato nel modo seguente: costo del materiale + tempo di stampa x costo di stampa orario per sistema utilizzato. Il costo di
stampa orario è stato calcolato su una media di 17 ore di lavoro al giorno della macchina.
4
LINEE GUIDA PER LE BEST PRACTICE
La progettazione di stampi a iniezione, per se stessa un’arte,
richiede anni di esperienza e una conoscenza approfondita del
processo di stampaggio a iniezione. Sebbene le considerazioni
in merito alla progettazione per la creazione e l’uso di uno
stampo PolyJet siano fondamentalmente le stesse valide anche
per gli stampi realizzati secondo metodi tradizionali, esistono
alcune differenze. Nella creazione di uno stampo PolyJet, si
• Aumentare le dimensioni del punto di iniezione per ridurre
la sollecitazione di taglio.
• Il punto di iniezione deve essere posizionato in modo che
il materiale fuso che entra nella cavità non comprometta la
corretta esecuzione di dettagli piccoli/sottili.
• Evitare di usare iniezioni a tunnel e puntiformi. Sono invece
da preferire modalità che riducano le sollecitazioni di taglio,
come le iniezioni a carota o laterali.
ABS – Parametri di processo 12 GIU 13
N. iniez.
Temp F/H
(°C)
Temp F/H
(°C)
Temp M/H
(°C)
Cuscino
(mm)
1
54,3
59
880
9,19
2
18,1
38,1
887
9,12
3
51,2
42
892
9,21
4
48,4
37,9
894
9,2
5
49,0
40,5
896
9,18
6
49,6
38,2
894
9,24
7
49,6
39,8
897
9,25
8
50,9
37,6
891
9,15
9
53,9
38,1
894
9,17
10
53,6
40,2
884
9,14
11
54,8
44,0
890
9,27
12
53,3
40,8
882
9,26
13
55,1
41,8
884
9,24
14
53,1
41,7
884
9,07
15
57,0
42,1
897
9,22
16
48,2
43,7
893
9,19
17
52,7
41,9
891
9,22
18
55,4
42,3
882
9,15
19
55,7
42,9
884
9,2
20
56,3
47,9
884
9,26
21
57,3
46,8
886
9,29
22
55,1
47,6
882
9,23
23
56,2
43,6
885
9,23
24
55,1
45,2
884
9,19
25
57,5
47,1
882
9,22
Figura 5. Componente creato da Nypro per testare parti stampate a iniezione
con uno stampo PolyJet.
Figure 4: ABS test data for Nypro injection molded parts.
raccomanda ai progettisti di considerare le modifiche sotto
elencate rispetto a uno stampo tradizionale in acciaio.
1. PROGETTAZIONE DELLO STAMPO
Figura 6. Campione finito.
• Aumentare gli angoli di sformo fino al limite consentito dal
disegno della parte. Questo faciliterà l’estrazione e ridurrà
la tensione sull’utensile durante l’espulsione della parte.
5
2. STAMPA 3D DELLO
STAMPO
smerigliatura delle superfici
trasversalmente all’apertura
dello stampo. Ad esempio,
prima di usare uno stampo
con un’anima alta, una
leggera
levigatura
può
facilitare la rimozione della
parte.
Per massimizzare le
opportunità create dalla
stampa 3D PolyJet,
si raccomandano i
seguenti accorgimenti:
• Stampare
in
modalità
lucida
per assicurare una
finitura liscia delle
superfici.
Figura 7. Stampo a iniezione PolyJet
realizzato con Digital ABS con un 20% di
nylon GF.
• Orientare la parte nel software Objet Studio™ in modo da
massimizzare le superfici lucide.
• Orientare lo stampo in modo che il flusso del polimero
abbia la stessa direzione delle linee di stampa.
3. FINITURA DELLO
STAMPO
Un
vantaggio
chiave
degli stampi PolyJet è
che
possono
essere
progettati, costruiti e usati
in poche ore. La maggior
parte di essi necessita
solo
di
pochissimi
Figura 8. Inserti di stampo PolyJet sulla
trattamenti successivi o macchina di stampaggio. L’anima a sinistra
non ne richiede affatto. e la cavità a destra.
Un intervento di finitura
potrebbe tuttavia essere necessario nei seguenti casi:
• Installazione dello stampo su un sistema di espulsione
Per assicurare una perfetta corrispondenza tra i perni
di estrazione e i rispettivi fori, programmare i fori nel file
STL, riducendone il diametro di 0,2 - 0,3 mm. In seguito
all’indurimento dello stampo, alesare i fori per ottenere
l’esatto diametro finale.
• Inserti fissati a una
base.
• Necessità
di
un
processo di levigatura
extra delle superfici.
A volte
eseguire
è consigliabile
una
leggera
Figura 9. Sistema di estrazione montato
sull’inserto stampato in 3D.
4.MONTAGGIO
• Gli stampi non fissati
al telaio di una base
possono
essere
montati direttamente
su
sottopiastre
standard
o
sulle
sottopiastre in acciaio
della
macchina
utilizzando viti o nastro
bioadesivo.
• Gli inserti visualizzati
nella Figura 8 sono
fissati a una base
mediante bulloni.
Figura 10. Orientare la parte in Objet
Studio in modo da massimizzare le
superfici lucide.
IN ALTO: quando lo stampo è
orientato lungo l’asse Y, i filetti saranno
configurati dal materiale di supporto.
IN BASSO: quando lo stampo è
orientato lungo l’asse Z, i filetti saranno
configurati automaticamente senza
materiale di supporto.
Qualsiasi sia l’opzione di
montaggio scelta, è fondamentale evitare il contatto diretto tra
l’ugello e lo stampo realizzato in 3D, utilizzando boccole del
canale di iniezione standard. Un’opzione alternativa è centrare
il canale dello stampo con la materozza (carota) situata su una
normale piastra d’acciaio.
5. PROCESSO DI STAMPAGGIO A INIEZIONE
Quando si utilizza uno stampo PolyJet per la prima volta, il
miglior modo di procedere è
il seguente:
• Iniziare
con
una
stampata incompleta
e una bassa velocità
di iniezione. Il tempo
di riempimento può
essere
prolungato
nella misura in cui il
Figura 11. Processo di finitura dello
materiale fuso non si stampo.
solidifica quando entra
nello stampo. Aumentare il volume di iniezione finché la
cavità non è piena al 90-95%.
6
• Nella fase di mantenimento, utilizzare una pressione
pari al 50-80%
della pressione di
iniezione effettiva
e regolare il tempo
di mantenimento in
base alle necessità,
per evitare risucchi.
Figura 12. Stampo indipendente fissato
• A p p l i c a r e
con nastro biadesivo alle sottopiastre della
macchina di stampaggio.
inizialmente
una
forza di chiusura
calcolata in base alla normale formula (pressione di
iniezione x superficie proiettata della parte).
• Gli stampi PolyJet presentano una bassa conduttività
termica, quindi richiedono tempi di raffreddamento estesi.
Per parti sottili o di piccole dimensioni (spessore delle
pareti fino a 1 mm), si consiglia di iniziare con un tempo di
raffreddamento di 30 secondi e quindi di regolarlo in base
alle necessità. Per le parti di maggiori dimensioni (spessore
della parete di 2 mm o più), è bene iniziare con 90 secondi
e regolare poi di conseguenza. Il tempo di raffreddamento
varia in base al tipo di resina plastica utilizzata.
di
stampaggio
a
iniezione e gli stessi
materiali che verranno
utilizzati per realizzare
il
prodotto
finale.
Avvalendosi di questa
tecnologia le aziende
potranno generare dati Figura 14. Sistema di raffreddamento
prestazionali di qualità montato sullo stampo. All’apertura dello
superiore e attestare con stampo sulla superficie viene applicata aria
pressurizzata per un tempo prestabilito.
maggiore sicurezza la
conformità dei requisiti per la certificazione.
L’unicità degli stampi PolyJet risiede nell’essere intercambiabili
con gli stampi in metallo, ma realizzabili a un costo di gran lunga
inferiore, in modo più semplice e in tempi più rapidi. Con la
tecnologia PolyJet è possibile ottenere prototipi con tempi e costi
ben al di sotto di quelli dei metodi tradizionali. Conseguentemente,
la stampa 3D aiuta le aziende manifatturiere a valutare facilmente
le prestazioni, l’adeguatezza e la qualità di prodotti in corso di
sviluppo prima di iniziare la produzione in serie.
• Si raccomanda comunque un raffreddamento minimo
per
evitare
un
eccessivo
restringimento
della parte sulle
anime
stampate
in
3D.
Un
r a ff r e d d a m e n t o
eccessivo
può
provocare tensioni
sullo
stampo Figura 13. Inserti assemblati su una base
quando si estrae la di acciaio standard e tenuti in posizione con
parte, rischiando di apposite viti per metallo.
danneggiarla.
• Dopo ogni ciclo di stampaggio, è fondamentale consentire
alla superficie dello stampo di raffreddarsi, applicando aria
pressurizzata, per preservare la qualità della parte e la vita
dello stampo. In alternativa, è possibile utilizzare sistemi di
raffreddamento dello stampo automatizzati.
CONCLUSIONI
L’uso degli stampi in 3D PolyJet permette di raggiungere un
livello più avanzato nell’esecuzione delle prove funzionali,
grazie alla possibilità di creare prototipi con lo stesso processo
7
PARAMETRI DI BEST FIT
Gli stampi PolyJet sono la soluzione ideale quando si lavora con i
seguenti materiali.
Termoplastiche:
• Temperature di stampaggio < 300° C (570° F)
Quantità:
• Basse quantità (5 - 100)
• Buona fluidità
Dimensioni:
• Parti di medie dimensioni < 165 cm3 (10 in3)
• Candidati:
• Macchine di stampaggio da 50 a 80 tonnellate
--Polietilene (PE)
• È possibile usare anche presse manuali.
--Polipropilene (PP)
Progettazione:
• Sono richieste più iterazioni di progettazione.
--Polistirene (PS)
--Acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS)
--Elastomero termoplastico (TPE)
--Poliammide (PA)
--Poliossimetilene o acetal (POM)
Prove:
• È richiesta la conferma della funzionalità.
• Sono richieste prove di conformità (ad es., UL o CE).
--Miscela policarbonato-ABS (PC-ABS)
--Resine rinforzate con fibra di vetro
Stratasys | www.stratasys.com | [email protected]
7665 Commerce Way
Eden Prairie, MN 55344
+1 888 480 3548 (numero
verde USA)
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