Prefazione: L'industria dello stampaggio a iniezione, in rapida crescita e altamente competitiva, vale centinaia di miliardi di dollari e spinge i produttori a cercare metodi più efficienti e a basso costo per rimanere all'avanguardia. Conosciuta anche come produzione additiva, la stampa 3D aiuta i produttori a creare stampi a iniezione e attrezzature migliori in modo più rapido ed economico rispetto ai processi tradizionali. Questo articolo spiega principalmente perché scegliere la stampa 3D per gli stampi.

Vantaggi e svantaggi della stampa 3D di stampi in metallo

Come stampare in 3D gli stampi in metallo?

La stampa 3D amplia la gamma di materiali disponibili, utilizza la sinterizzazione laser per costruire gli strati e trasforma il disegno CAD nel prodotto tridimensionale definitivo.

Quali sono i vantaggi degli stampi in metallo definiti in 3D?

I miglioramenti nella progettazione degli stampi aggiungono più funzionalità ai prodotti finali

Lo speciale metodo metallurgico impiegato nella stampa 3D in metallo può migliorare la microstruttura del metallo e creare parti stampate completamente dense. Questo metodo consente di integrare funzioni complesse del prodotto, facilitando così la produzione di prodotti finali altamente funzionali in modo più efficiente e con meno difetti.

Ad esempio, la qualità di un pezzo stampato a iniezione è fortemente influenzata dalle condizioni di trasferimento del calore tra il materiale iniettato e il fluido di raffreddamento che circola attraverso l'attrezzatura. I processi di produzione tradizionali sono solitamente caratterizzati da canali rettilinei per il materiale di raffreddamento, che determinano un effetto di raffreddamento più lento e non uniforme sul pezzo stampato.

La stampa 3D, invece, consente di creare canali di raffreddamento di qualsiasi forma, assicurando un raffreddamento conforme, più ottimizzato e uniforme. Questo, a sua volta, si traduce in pezzi di qualità superiore e in tassi di scarto inferiori. Inoltre, la rapida dissipazione del calore riduce notevolmente il tempo del ciclo di stampaggio a iniezione, poiché il raffreddamento costituisce in genere fino a 70% dell'intera durata del ciclo.

Ottimizzare gli strumenti per renderli più ergonomici e migliorare le prestazioni minime

La stampa 3D riduce in modo significativo la barriera per la convalida di nuovi strumenti per soddisfare esigenze non soddisfatte nella produzione, consentendo la creazione di un maggior numero di attrezzature mobili e fisse. Storicamente, gli utensili e i dispositivi correlati sono stati progettati per massimizzare la longevità, date le notevoli spese e gli sforzi necessari per riprogettarli e produrli.

Grazie all'utilizzo della tecnologia di stampa 3D, le aziende hanno la possibilità di rimettere a nuovo qualsiasi strumento in qualsiasi momento, non solo quelli che sono stati scartati per non aver soddisfatto i requisiti.

Richiedendo tempi e investimenti iniziali minimi, la stampa 3D rende più conveniente migliorare gli strumenti per ottenere prestazioni marginali superiori. Di conseguenza, i tecnici sono in grado di dare priorità ad aspetti come l'ergonomia nei loro progetti per aumentare il comfort operativo, ridurre la durata della lavorazione e migliorare la facilità d'uso e di stoccaggio. Anche se questi miglioramenti possono comportare solo una riduzione marginale dei tempi di assemblaggio, l'impatto cumulativo non deve essere sottovalutato.

Inoltre, l'ottimizzazione della progettazione degli stampi può anche ridurre il tasso di scarto dei pezzi. La qualità è la stessa degli stampi lavorati; può realizzare canali di raffreddamento conformi; utilizza meno materie prime e più rapidamente degli stampi lavorati; può stampare più versioni di stampi contemporaneamente; ha maggiori possibilità di applicazione, adatte ai produttori in outsourcing; impedisce la fuga di dati, soluzione interna per proteggere la proprietà intellettuale; parti stampate a iniezione hanno la stessa qualità.

Cicli di produzione più brevi, capacità di produrre geometrie più complesse e costi di produzione finali più bassi consentono alle aziende di creare un gran numero di strumenti personalizzati per supportare la produzione di pezzi personalizzati.

Gli stampi personalizzati aiutano a personalizzare il prodotto finale e gli stampi di stampa 3D sono molto utili per la produzione personalizzata, ad esempio per le apparecchiature mediche e l'industria medica. Può fornire ai chirurghi strumenti personalizzati stampati in 3D, come guide e strumenti chirurgici, consentendo loro di migliorare i risultati chirurgici e ridurre i tempi di intervento.

Quali sono gli svantaggi della stampa 3D di stampi in metallo?

Può richiedere più tempo e costi maggiori rispetto alla lavorazione, richiede più tempo di progettazione iniziale e competenze più elevate. Per soddisfare i requisiti di precisione può essere necessario un trattamento successivo alla lavorazione e le dimensioni degli stampi sono limitate. I materiali più comunemente utilizzati sono l'acciaio inossidabile e l'acciaio per utensili.

Quali sono gli esempi tipici di stampi in metallo per la stampa 3D?

Bridgestone

Creazione di pneumatici all-season di alta qualità. Tradizionalmente, gli stampi per pneumatici venivano realizzati attaccando manualmente strisce e blocchi di metallo in uno schema specifico a uno stampo di base. I componenti metallici, con le loro geometrie semplici, venivano realizzati con strumenti di lavorazione convenzionali.

Tuttavia, Bridgestone ha abbracciato una tecnologia all'avanguardia utilizzando le macchine SLM del produttore tedesco SLM Solutions per produrre stampi in metallo stampati in 3D. Questo approccio innovativo consente agli ingegneri di creare stampi con forme e modelli prima irraggiungibili.

Riprogettando gli stampi, è possibile migliorare le prestazioni di trazione del pneumatico senza comprometterne la longevità. SLM Solutions ha realizzato un'impresa straordinaria stampando in 3D uno stampo per pneumatici in acciaio con uno spessore di soli 0,3 mm nel punto più sottile. Bridgestone non è l'unico gigante del settore a sfruttare la tecnologia di stampa 3D; Michelin offre pneumatici prodotti con questa tecnica avanzata dal 2013.

Coppettazione Eplus3D

In passato, i produttori utilizzavano lo stampaggio a iniezione tradizionale per produrre tazze a coppa con scarsa trasparenza e bassa efficienza di stampaggio a iniezione. Il motivo principale è che lo stampo per coppette prodotto con la tecnologia CNC tradizionale può elaborare solo canali di raffreddamento verticali, che non possono raffreddare efficacemente lo stampo. Lo stampo a iniezione per coppette prodotto dalla stampante 3D EP-M250 SLM presenta un complesso canale di raffreddamento conformale in metallo prodotto con la stampante 3D Eplus3D EP-M250 SLM.

La coppettazione finale richiede solo 16,63 secondi per raggiungere la temperatura di spruzzatura. Si tratta di un miglioramento significativo rispetto agli stampi tradizionali che richiedono 22,97 secondi, con una riduzione di oltre 6 secondi e un aumento dell'efficienza di iniezione di circa 26%.

Quali sono le tecnologie e i materiali per gli stampi in metallo?

La tecnologia degli stampi in metallo comprende principalmente

Fusione laser selettiva (SLM)

nella produzione additiva di materiali metallici. Nonostante la capacità di ottenere dettagli intricati attraverso questo processo, la lavorazione aggiuntiva rimane prevalente. Attualmente, a causa di considerazioni sui costi e sulle velocità di lavorazione, è improbabile che la stampa 3D in metallo sostituisca completamente la lavorazione degli utensili per lo stampaggio a iniezione. Al contrario, è un complemento che migliora l'efficienza della produzione complessiva.

Deposizione diretta di energia (DED)

Il laser crea una piscina fusa nell'area di deposizione e la muove ad alta velocità. Il materiale viene inviato direttamente nell'area di fusione ad alta temperatura sotto forma di polvere o filamento e viene depositato strato per strato dopo la fusione. Questo metodo rende possibile la creazione di stampi metallici per una varietà di materiali metallici. Ad esempio, uno strato superiore di acciaio inossidabile può essere applicato su un substrato di rame puro per combinare un'elevata conducibilità termica con la resistenza all'usura, proprietà richieste in stampaggio a iniezione strumenti.

I materiali per stampi in metallo includono principalmente

In base al tipo di materiale, i materiali metallici per la stampa 3D possono essere suddivisi in leghe a base di ferro, titanio e leghe a base di titanio, leghe a base di nichel, leghe di cobalto-cromo, leghe di alluminio, leghe di rame e metalli preziosi.

Lega a base di ferro

Le leghe a base di ferro sono un tipo di lega che è stata studiata prima e più a fondo nei materiali metallici per la stampa 3D. Le leghe a base di ferro più comunemente utilizzate includono l'acciaio per utensili, l'acciaio inossidabile 316L, l'acciaio ad alta velocità M2, l'acciaio per stampi H13 e l'acciaio maraging 15-5PH, ecc. Le leghe a base di ferro hanno un basso costo, un'elevata durezza, una buona tenacità e una buona lavorabilità, che le rendono particolarmente adatte alla produzione di stampi.

La stampa 3D di stampi conformi per canali d'acqua è una delle principali applicazioni delle leghe a base di ferro. I canali d'acqua di forma speciale sono difficili da lavorare con i processi tradizionali. Tuttavia, la stampa 3D può controllare la disposizione dei canali di raffreddamento in modo che siano sostanzialmente coerenti con la geometria della cavità, migliorando così l'uniformità del campo di temperatura e riducendo efficacemente i difetti del prodotto e aumentando la durata dello stampo.

Titanio e leghe di titanio

Il titanio e le leghe di titanio sono diventati materiali ideali nei settori dei dispositivi medici, delle apparecchiature chimiche, dell'aerospaziale e delle attrezzature sportive grazie alla loro notevole forza specifica, alla buona resistenza al calore, alla resistenza alla corrosione e alla buona biocompatibilità. Tuttavia, le leghe di titanio sono tipicamente materiali difficili da lavorare.

Durante la lavorazione subiscono sollecitazioni elevate, temperature elevate e una forte usura degli utensili, il che limita l'ampia applicazione delle leghe di titanio. La tecnologia di stampa 3D è particolarmente adatta alla produzione di titanio e leghe di titanio. In primo luogo, la stampa 3D avviene in un ambiente con atmosfera protettiva. Il titanio non reagisce facilmente con elementi quali ossigeno e azoto. Il rapido riscaldamento e raffreddamento delle microaree limita inoltre la volatilizzazione degli elementi della lega;

In secondo luogo, le forme complesse possono essere realizzate senza lavorazione di taglio e il tasso di utilizzo del materiale basato su polveri o fili è elevato, il che non causa sprechi di materie prime e riduce notevolmente i costi di produzione. Attualmente, i tipi di titanio e leghe di titanio stampati in 3D includono Ti puro, Ti6A14V (TC4) e Ti6A17Nb, che possono essere ampiamente utilizzati nelle parti aerospaziali (Figura 3) e negli impianti artificiali (come ossa, denti, ecc.).

Vantaggi e svantaggi della stampa 3D di stampi in plastica

Come stampare in 3D gli stampi in plastica?

L'utilizzo di materiali durevoli e resistenti al calore in combinazione con una stampante 3D per plastica (o polimeri) consente alle aziende di produrre i propri stampi a iniezione internamente o di procurarseli rapidamente da un fornitore di servizi.

Quali sono i vantaggi della stampa 3D di stampi in plastica?

Ottimizzare gli strumenti per renderli più ergonomici e migliorare le prestazioni minime

La stampa 3D riduce le barriere alla convalida di nuovi utensili che rispondono a esigenze produttive non soddisfatte, consentendo l'integrazione di un maggior numero di attrezzature mobili e fisse nei processi di produzione. In genere, gli utensili e le relative attrezzature sono stati progettati per garantire la massima durata, al fine di evitare i costi significativi e la manodopera associata alla riprogettazione e alla produzione. Grazie alla tecnologia di stampa 3D, le aziende possono ora rimettere a nuovo qualsiasi utensile in qualsiasi momento, non limitandosi solo a quelli scartati e ritenuti inadatti.

Basso costo

I metodi tradizionali di produzione di stampi a iniezione sono in genere costosi e richiedono tempo, in quanto richiedono macchinari di precisione e competenze da parte dello stampista. La stampa 3D offre invece un'alternativa più economica per la produzione di stampi.

La stampa diretta di stampi da una stampante 3D può essere adatta per pezzi di basso volume (da un massimo di 100 a un massimo di 10.000, a seconda del materiale) e può costare fino a 90% in meno rispetto agli stampi in metallo. La stampa 3D di plastica emerge come il metodo di produzione degli stampi preferito quando i tempi di consegna brevi e i costi contenuti sono considerazioni fondamentali.

Secondo i rapporti, gli stampi di stampa 3D possono far risparmiare fino a 80% di costi rispetto alle tecnologie tradizionali. Sono molto più veloci ed economici della produzione tradizionale di stampi in metallo. È possibile stampare simultaneamente più versioni di stampi, offrendo maggiori possibilità di applicazione e rendendoli adatti ai produttori in outsourcing. Questa soluzione interna impedisce la fuga di dati e protegge i diritti di proprietà intellettuale, assicurando che il parti stampate a iniezione mantenere la stessa qualità.

La stampa 3D richiede meno passaggi rispetto alla lavorazione, con una media di soli sei giorni lavorativi necessari per completare lo stampo e il pezzo. In realtà, la produzione di stampi può essere completata in poche ore, rendendo il processo rapido ed efficiente.

Gli stampi a iniezione complessi possono ora essere stampati in 3D utilizzando resine dissolvibili, stampanti 3D in plastica (o polimeri) e materiali durevoli e resistenti alle temperature. Questo progresso consente alle aziende di produrre i propri stampi internamente o di acquistarli facilmente da fornitori di servizi.

Quali sono gli svantaggi della stampa 3D di stampi in plastica?

Gli stampi in plastica presentano solitamente una conducibilità termica inferiore rispetto agli stampi in metallo, con conseguenti tempi di raffreddamento più lunghi per i pezzi stampati a iniezione. Inoltre, tendono a degradarsi più rapidamente delle loro controparti metalliche, rendendo spesso necessari processi di post-lavorazione per ottenere un'accuratezza precisa. Inoltre, gli stampi in plastica sono vincolati da opzioni di dimensioni limitate.

Quali sono alcuni esempi tipici di stampi in plastica per la stampa 3D?

Stampo Zetar

Zetar Mold è un'azienda di stampaggio a iniezione con sede a ShangHai, in Cina, che offre servizi di creazione rapida di stampi e di stampaggio a iniezione di piccoli lotti. In risposta alla crescente domanda di produzione di bassi volumi, Zetar Mold ha abbracciato la tecnologia di stampa 3D per creare stampi in plastica economicamente vantaggiosi per una produzione più rapida di piccoli ordini. Durante la loro esplorazione, hanno scoperto che la stampante SLA 3D di Formlabs, abbinata al materiale in resina riempita di vetro Rigid 10K Resin dell'azienda, era l'abbinamento ideale per la loro macchina per lo stampaggio a iniezione industriale Babyplast.

Utilizzando Formlabs, Zetar Mold è in grado di produrre rapidamente stampi a iniezione stampati in 3D. Dopo la fase di progettazione, Zetar Mold può stampare ed eseguire la post-elaborazione dello stampo in un solo giorno. Integrando la parte stampata con la struttura metallica esistente dello stampo, l'assemblaggio può essere completato in soli trenta minuti, consentendo l'avvio immediato della produzione. processo di stampaggio a iniezione. Sebbene ogni stampo sia tipicamente limitato a circa 100 utilizzi, Zetar Mold può stampare simultaneamente più stampi per soddisfare quantità maggiori di ordini.

Stampanti 3D Markforged per produrre stampi in termoindurente. L'azienda aveva bisogno di uno stampo in termoindurente durevole per sostituire il costoso processo in silicone esternalizzato, in grado di resistere a forze di serraggio significative quando esposto a temperature fino a 150 °C.

Markforged è riuscita a creare uno stampo in circa 60 ore utilizzando la stampante 3D X7 e i materiali Onyx, con un costo di circa $240 per stampo. In confronto, gli stampi in silicone lavorati a macchina richiedevano 144 ore di lavoro e una spesa di circa $1.000 per stampo.

Addifab

La produzione di prototipi con lo stesso design e gli stessi materiali del prodotto finale può migliorare e accelerare notevolmente il processo di test dei prototipi. Addifab, una startup con sede in Belgio, è specializzata nella fornitura di stampi stampati in 3D per lo stampaggio a iniezione.

Addifab offre un materiale resinoso proprietario per stampi di stampa 3D in grado di sopportare pressioni di iniezione fino a 2.500 bar e temperature di fusione di 450°C. Successivamente, lo stampo si dissolve completamente in una soluzione acquosa alcalina entro 12-48 ore. Addifab utilizza questa resina solubile per stampare stampi a iniezione in 3D.

Wilson Sporting Goods ha recentemente utilizzato la resina Addifab sulla sua stampante di grande formato Nexa3D NXE 400 per produrre in modo efficiente più versioni di stampi a iniezione per le nuove impugnature delle mazze da baseball.

Quali sono i materiali per stampi in plastica?

nylon

Caratteristiche del materiale: Il nylon ha una resistenza alle alte temperature, una buona tenacità e un'elevata resistenza. Rispetto ad altri materiali, il nylon presenta caratteristiche eccellenti come l'elevata fluidità, la bassa elettricità statica, il basso assorbimento d'acqua, il punto di fusione moderato e l'elevata precisione dimensionale dei prodotti.

La sua resistenza alla fatica e la sua tenacità possono soddisfare anche le esigenze di pezzi che richiedono proprietà meccaniche più elevate. È una plastica ingegneristica. Materiale ideale per la stampa 3D.
Applicazioni comuni: involucri e custodie, articoli sportivi di consumo, prototipi complessi di parti in plastica e prototipi di forma, assemblaggio o funzionali.

Nylon ad alte prestazioni

Attributi principali: Materiale malleabile e flessibile con elevata durata, prestazioni e resistenza agli urti.
Applicazioni comuni: Prototipi resistenti agli urti, maschere, dispositivi, tubi e involucri a parete sottile, bottoni automatici, clip e cerniere.

Resina fotosensibile importata

Caratteristiche del materiale: I materiali in resina fotosensibile sono ampiamente utilizzati per la loro elevata scorrevolezza e durata. Le parti stampate con questo materiale possono essere sottoposte a processi di post-elaborazione come smerigliatura, lucidatura, verniciatura, spruzzatura, galvanica e serigrafia. Le sue prestazioni sono simili a quelle del tecnopolimero ABS. Grazie all'elevata precisione e alla superficie delicata, può essere utilizzato non solo per le parti estetiche, ma anche per le verifiche strutturali, di assemblaggio e funzionali.

Applicazioni comuni: elettrodomestici, produzione rapida, modelli di prototipi, prodotti elettronici, istruzione e ricerca scientifica, modelli architettonici, modelli artistici, produzione di automobili e altri campi.

Conclusione

L'industria dello stampaggio a iniezione, in rapida crescita e altamente competitiva, con un valore di centinaia di miliardi di dollari, ha spinto i produttori a cercare modi più efficienti ed economici per rimanere all'avanguardia.

La stampa 3D, nota anche come produzione additiva, consente a queste aziende di produrre stampi a iniezione e attrezzature di qualità superiore in modo più rapido e conveniente rispetto ai processi tradizionali. Si può affermare che gli stampi di stampa 3D stanno rivoluzionando il settore della produzione di stampi.