Premessa: il settore dello stampaggio a iniezione, in rapida crescita e altamente competitivo, ha un valore di centinaia di miliardi di dollari e spinge i produttori a cercare modi più efficienti ed economici per mantenere un vantaggio competitivo.

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

Secondo Intelligent Manufacturing Network News, la stampa 3D è considerata una delle tecnologie all'avanguardia con un vasto potenziale di sviluppo e ampie possibilità di applicazione, quasi onnipresente in tutto il mondo.

Attualmente, l'utilizzo della stampa 3D nei settori dell'istruzione, della sanità, dell'automotive, dell'aerospaziale e in altri settori si sta progressivamente approfondendo, dimostrando il suo valore nell'implementazione commerciale. Ma qual è la realtà degli stampi a iniezione stampati in 3D?

In questo articolo vi presenteremo la verità sugli stampi a iniezione per la stampa 3D.

1. Breve panoramica della tecnologia di stampa 3D

La stampa 3D (3DP) è un tipo di tecnologia di prototipazione rapida, nota anche come produzione additiva. Si basa su file di modelli digitali e utilizza materiali adesivi come metallo in polvere o plastica per costruire strutture attraverso la stampa strato per strato.

Di solito viene realizzata con stampanti di materiali a tecnologia digitale ed è comunemente utilizzata per creare modelli in settori quali la produzione di stampi e il design industriale. Si sta gradualmente impiegando nella fabbricazione diretta di alcuni prodotti, con parti già stampate con successo grazie a questa tecnologia.

La stampa 3D è tipicamente realizzata con stampanti di materiali a tecnologia digitale. È comunemente utilizzata per creare modelli nella produzione di stampi, nel design industriale e in altri campi, e sempre più spesso viene impiegata per la produzione diretta di alcuni prodotti. Alcune parti sono già state stampate con questa tecnologia

2. Stampaggio a iniezione

La tecnica nota come stampaggio a iniezione prevede l'iniezione di materiali plastici riscaldati e fusi nella cavità dello stampo ad alta pressione, lasciandoli raffreddare e solidificare. Questo metodo è utilizzato principalmente per la produzione di massa. Il fulcro di questo processo è lo stampo a iniezione, che produce rapidamente e con precisione strutture complete e dimensioni precise per i prodotti in plastica.

L'attuale processo di fabbricazione degli stampi, comunemente chiamato apertura dello stampo, prevede in genere una lavorazione meccanica. Il processo può essere schematizzato come segue: Inizialmente, viene generato uno stampo digitale utilizzando un software basato sul modello 3D del prodotto finale. Questo include la definizione del numero di cavità, delle posizioni delle porte e dei sistemi di scorrimento necessari per lo stampo. stampaggio a iniezione processo.

I componenti dello stampo vengono lavorati con strumenti quali CNC, fresatrici e torni. Per ottenere prodotti stampati a iniezione migliori, lo stampo necessita spesso di una rifinitura e di una lucidatura finale per migliorare la qualità della superficie. Questo processo è laborioso e il ciclo di produzione tipico per gli stampi a iniezione di precisione è di circa 20-25 giorni.

3. Stampo in plastica per la stampa 3D

Combinando materiali robusti e resistenti alle temperature con una stampante 3D in plastica (o polimero), le aziende possono produrre i propri stampi a iniezione internamente o ordinarli tempestivamente a un fornitore di servizi. Gli stampi in plastica stampati in 3D sono adatti alla produzione di piccole quantità di pezzi (da 100 a 10.000, a seconda del materiale) e sono decisamente più convenienti, con un prezzo inferiore di 90% rispetto agli stampi in metallo.

Se il budget è limitato e i tempi di realizzazione sono brevi, la stampa 3D di plastica è il metodo di produzione degli stampi preferito. È anche ampiamente utilizzata per la prototipazione, consentendo alle aziende di testare e iterare più rapidamente prima di passare agli strumenti tradizionali per la produzione di massa con maggiore sicurezza.

Tecnologie e materiali utilizzati

Tecnologia 1: la modellazione a deposizione fusa (FDM) è la soluzione di stampa 3D più economica per la realizzazione di stampi in plastica. Tuttavia, con questo metodo possono verificarsi stratificazioni visibili. Per ottenere l'accuratezza desiderata, gli strati devono essere rimossi attraverso una successiva molatura o un trattamento chimico. Inoltre, questi stampi possono essere lavorati con tolleranze più strette.

Tecnologia 2: la stampa 3D in resina, compresa la stereolitografia (SLA) e l'elaborazione digitale della luce (DLP), sono le tecnologie più diffuse perché producono stampi con una finitura superficiale più fine che richiede meno post-elaborazione.

Tecnologia tre: La sinterizzazione laser selettiva (SLS) è una tecnologia che utilizza materiali polimerici in polvere e un laser per ottenere stampi di elevata qualità superficiale e resistenza, spesso realizzati in nylon rinforzato.

Quando si parla di stampa 3D, è possibile scegliere tra un'ampia gamma di materiali plastici. Tuttavia, non tutti i materiali sono in grado di sopportare le elevate pressioni e temperature dello stampaggio a iniezione. La scelta del materiale dipende da fattori quali la temperatura di fusione della plastica, la pressione di iniezione della macchina e il volume dei pezzi necessari.

I materiali più comunemente utilizzati sono il PETG, il polipropilene (PP), la resina per stampi, il nylon (PA), il nylon in fibra di carbonio, ecc. Tuttavia, in genere possono resistere solo a decine o centinaia di cicli di stampaggio a iniezione. Per i grandi volumi di produzione che richiedono migliaia di pezzi, il metallo è ancora preferito alla plastica nella maggior parte dei casi.

Casi di applicazione tipici

PepsiCo ha collaborato con Henkel Loctite Nexa3D per creare inserti per stampi utilizzando il materiale in resina xPEEK147 e una stampante 3D Nexa3D NXE 400. Questi inserti vengono poi integrati con i componenti degli stampi metallici tradizionali. L'intero stampo può ora essere prodotto in sole 12 ore, di cui 8 dedicate alla stampa 3D e 4 alla post-elaborazione e all'indurimento.

Il tempo di sviluppo degli stampi per prototipi è stato drasticamente ridotto da 4 settimane a sole 48 ore, con un significativo miglioramento dell'efficienza. Inoltre, il costo di ogni set di stampi è diminuito notevolmente, passando da $10.000 a $350. Questi innovativi stampi ibridi hanno dimostrato la capacità di produrre oltre 10.000 bottiglie senza alcun guasto, con un potenziale risparmio sui costi fino a 96% rispetto agli stampi metallici tradizionali.

Nel regno della tradizione stampaggio a iniezioneIl principale fattore di costo è la produzione dello stampo. Vengono evidenziate le complessità del recupero dei costi di produzione dello stampo solo attraverso la produzione di massa e la vendita dei prodotti. Si sottolinea che per i prodotti con cicli di vita brevi o con una domanda limitata, l'investimento in utensili lavorati a macchina potrebbe non essere finanziariamente conveniente. In questi scenari, la scelta della fabbricazione di stampi attraverso la stampa 3D viene presentata come un'alternativa più vantaggiosa.

Il passaggio alla stampa 3D non solo offre una soluzione economica, ma consente anche una maggiore flessibilità nella personalizzazione dei prodotti e nella produzione di piccoli lotti. I produttori sono incoraggiati a sfruttare questo approccio per ampliare la loro offerta di prodotti entro parametri economicamente vantaggiosi. Le capacità di produzione rapida degli stampi stampati in 3D consentono ai produttori di rispondere prontamente alle richieste di nuovi prodotti da parte dei clienti, portando allo sviluppo e alla produzione efficiente di prodotti a bassa tiratura.

4. Stampo in metallo con stampa 3D

I fattori alla base dell'aumento dell'utilizzo di stampi in metallo stampati in 3D differiscono in modo significativo dai vantaggi degli stampi in plastica stampati in 3D. Contrariamente a quanto si crede, in alcuni casi gli stampi in metallo stampati in 3D possono essere più costosi e più lunghi da creare rispetto agli stampi in metallo tradizionali. Il vantaggio non risiede nella fabbricazione degli stampi, ma nell'economicità della produzione dell'intero prodotto utilizzando stampi stampati in 3D.

Tecnologie e materiali utilizzati

La stampa 3D del metallo consente di creare stampi per la produzione finale di prodotti e prototipi con dettagli intricati, permettendo ai produttori di snellire il tradizionale processo di fabbricazione degli stampi e di ridurre la necessità di macchinisti qualificati.

Una tecnica comune è la fusione laser selettiva (SLM), un metodo chiave nella produzione additiva di materiali metallici. Sebbene la SLM sia in grado di ottenere dettagli precisi, spesso è necessaria una lavorazione aggiuntiva. Dati i costi e le velocità di lavorazione attuali, è improbabile che la stampa 3D in metallo sostituisca completamente la lavorazione degli stampi a iniezione, ma serve invece come strumento complementare per accelerare la produzione complessiva.

Un'altra tecnologia di stampa 3D, la deposizione diretta di energia (DED), utilizza un laser per creare una piscina fusa nell'area di deposizione e spostarla rapidamente. Il materiale, in polvere o in filamenti, viene alimentato direttamente nella zona di fusione ad alta temperatura e depositato strato per strato dopo la fusione. Questo approccio consente di creare stampi metallici utilizzando diversi materiali metallici. Ad esempio, è possibile applicare uno strato di acciaio inossidabile su un substrato di rame puro per combinare un'elevata conduttività termica con la resistenza all'usura.

Richiesto negli strumenti per lo stampaggio a iniezione.

Le parti stampate in metallo in 3D spesso richiedono una lavorazione aggiuntiva, il che ha portato a un aumento delle macchine ibride che combinano stampa 3D e funzionalità CNC. La macchina TrueShape, sviluppata da Mantle, una startup che si occupa di stampa 3D in metallo, è un esempio di questa tendenza.

Il processo inizia con la stampa 3D di uno stampo in metallo utilizzando una pasta di acciaio per utensili estrudibile. Successivamente, vengono utilizzate macchine CNC di precisione per perfezionare lo stampo con tolleranze esatte prima di sinterizzarlo in un forno ad alta temperatura.

Casi di applicazione tipici

La stampa 3D sta dando il via a una rivoluzione nel settore della produzione di stampi, consentendo la creazione di stampi con intricati canali di raffreddamento conformali. Questi canali svolgono un ruolo cruciale nella stampaggio a iniezione utensili, favorendo un raffreddamento più rapido e uniforme dei pezzi.

Dato che la fase di raffreddamento consuma in genere da 70% a 80% dell'intero tempo di ciclo, qualsiasi riduzione di questa fase durante la vita dello stampo può produrre un sostanziale risparmio sui costi per i produttori. Inoltre, un raffreddamento efficace influisce in modo significativo sulla precisione dimensionale, sulla finitura superficiale e sulle proprietà meccaniche del prodotto finale.

Le tecniche di lavorazione tradizionali prevedono l'aggiunta di canali di raffreddamento allo stampo mediante foratura diretta. Tuttavia, con l'aumentare della complessità della geometria dei pezzi, diventa sempre più difficile ottenere un raffreddamento preciso lungo i contorni dello stampo. Ciò può rendere la produzione tradizionale di pezzi intricati un'impresa ardua e costosa.

Rispetto ai processi tradizionali, la stampa 3D può creare canali di raffreddamento curvi all'interno dello stampo, modellati in base alla geometria del pezzo e in grado di fornire il raffreddamento dove è più necessario per migliorare la qualità del pezzo e ridurre i tempi di raffreddamento fino a 70%.

Un esempio lampante è Yijia, un produttore di tappi tridimensionali. In precedenza, le coppette prodotte con lo stampaggio a iniezione tradizionale presentavano una bassa trasparenza e uno stampaggio a iniezione inefficiente. L'inefficienza derivava dagli stampi per coppette realizzati con la tradizionale tecnologia CNC, che poteva elaborare solo canali di raffreddamento verticali, non riuscendo così a raffreddare adeguatamente lo stampo.

Con la stampante 3D Eplus3D EP-M250 SLM è possibile produrre stampi metallici complessi a canale di raffreddamento conformale. La coppettazione finale richiede ora solo 16,63 secondi per raggiungere la temperatura ottimale per la spruzzatura. Gli stampi tradizionali richiedono invece 22,97 secondi, con un risparmio di tempo di oltre 6 secondi e un aumento dell'efficienza di iniezione di circa 26%.

I vantaggi dell'incorporazione di canali di raffreddamento conformali attraverso la stampa 3D sono evidenti in vari settori della produzione di stampi. Si pensi, ad esempio, alle sigarette elettroniche. Guangdong Moko afferma: "Negli ultimi tre anni, la nostra conoscenza dei materiali PCTG si è notevolmente approfondita, in particolare per le sigarette elettroniche.

L'utilizzo di questo materiale in combinazione con la tecnologia di stampa 3D esemplifica un approccio unico che si discosta dai metodi convenzionali". Questo sottolinea il ruolo centrale della stampa 3D nel rivoluzionare l'industria degli stampi, affrontando efficacemente sfide irraggiungibili con i mezzi tradizionali.

5. Vantaggi della stampa 3D di stampi a iniezione

Riduzione del ciclo di produzione degli stampi

La stampa 3D degli stampi accorcia notevolmente il ciclo di sviluppo del prodotto, favorendo l'innovazione. In passato, le aziende hanno talvolta scelto di rimandare o rinunciare agli aggiornamenti della progettazione dei prodotti a causa dei notevoli investimenti necessari per la produzione di nuovi stampi. Riducendo i tempi di produzione degli stampi e consentendo aggiornamenti rapidi agli strumenti di progettazione esistenti, la stampa 3D permette alle aziende di permettersi modifiche e miglioramenti degli stampi più frequenti. Questa capacità garantisce l'allineamento del ciclo di progettazione dello stampo con quello del prodotto.

Inoltre, alcune aziende hanno investito in proprie attrezzature di stampa 3D per produrre stampi, accelerando ulteriormente lo sviluppo del prodotto e migliorando la flessibilità e l'adattabilità. Questo approccio strategico rafforza la resilienza della catena di fornitura contro rischi quali il prolungamento delle scadenze e la stagnazione dello sviluppo, evitando così l'acquisizione di stampi inadeguati dai fornitori.

Riduzione dei costi di produzione

Se il costo attuale della stampa 3D in metallo è superiore a quello dei processi di produzione tradizionali in metallo, è più facile ottenere riduzioni dei costi nel campo dei prodotti in plastica.

Gli stampi in metallo stampati in 3D offrono vantaggi economici nella produzione di piccole serie discontinue di prodotti finali (poiché i costi fissi di questi prodotti sono difficili da ammortizzare) o per geometrie specifiche ottimizzate per la stampa 3D, offrendo vantaggi economici ancora maggiori. Questo vantaggio diventa particolarmente evidente quando i materiali utilizzati sono estremamente costosi e la produzione tradizionale di stampi comporta un'elevata percentuale di scarti di materiale, dove la stampa 3D può offrire un vantaggio in termini di costi.

Inoltre, la capacità della stampa 3D di produrre stampi precisi in poche ore può avere un impatto significativo sui processi di produzione e sulla redditività, soprattutto in scenari in cui i tempi di fermo della produzione o il mantenimento delle scorte di utensili sono costosi.

A volte capita spesso che lo stampo debba essere modificato dopo l'inizio della produzione. L'adattabilità della stampa 3D consente agli ingegneri di testare numerose iterazioni contemporaneamente, riducendo così le spese iniziali derivanti dalle modifiche alla progettazione dello stampo.

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

La metallurgia unica coinvolta nella stampa 3D dei metalli spesso migliora la microstruttura del metallo, dando luogo a parti stampate completamente dense che possiedono proprietà meccaniche e fisiche paragonabili o addirittura superiori a quelle dei materiali forgiati o fusi (in base al trattamento termico e all'orientamento dei test). La produzione additiva offre agli ingegneri una pletora di possibilità per migliorare la progettazione degli stampi.

Negli scenari in cui la parte prevista comprende più sottocomponenti, la stampa 3D consente una perfetta integrazione del progetto, con conseguente riduzione del numero di parti necessarie. Ciò semplifica il processo di assemblaggio del prodotto e riduce al minimo le tolleranze.

Inoltre, è in grado di integrare funzioni complesse del prodotto, consentendo una produzione più rapida di prodotti finali ad alta funzionalità e con meno difetti. Ad esempio, la qualità complessiva di un pezzo stampato a iniezione è influenzata dalle condizioni di trasferimento del calore tra il materiale iniettato e il fluido di raffreddamento che scorre attraverso l'attrezzatura. Quando si produce con metodi tradizionali, i canali che dirigono il materiale di raffreddamento sono solitamente rettilinei, con un conseguente effetto di raffreddamento più lento e non uniforme sul pezzo stampato.

La stampa 3D consente di creare canali di raffreddamento di qualsiasi forma per facilitare il raffreddamento conformale, che è più ottimizzato e uniforme, con conseguente aumento della qualità dei pezzi e riduzione degli scarti. Inoltre, una più rapida dissipazione del calore riduce significativamente il tempo del ciclo di stampaggio a iniezione, poiché il periodo di raffreddamento rappresenta in genere fino a 70% dell'intero ciclo di stampaggio. stampaggio a iniezione ciclo.

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

La stampa 3D riduce in modo significativo le barriere alla convalida di nuovi utensili che rispondono a esigenze non soddisfatte nel settore manifatturiero, consentendo la produzione di ulteriori attrezzature mobili e fisse. Storicamente, gli utensili e i dispositivi correlati sono stati progettati per avere la massima longevità, dati i costi e gli sforzi sostanziali necessari per la loro riprogettazione e fabbricazione. Sfruttando la tecnologia di stampa 3D, le aziende possono rinnovare qualsiasi utensile in qualsiasi momento, non solo quelli ritenuti obsoleti e inadeguati al lavoro.

Con tempi e investimenti iniziali minimi, la stampa 3D rende più conveniente la messa a punto degli strumenti per migliorare le prestazioni marginali. Di conseguenza, i tecnici possono tenere conto di considerazioni ergonomiche durante la fase di progettazione per migliorare il comfort operativo, ridurre i tempi di lavorazione e semplificare l'utilizzo e lo stoccaggio.

Anche se questi miglioramenti possono ridurre di pochi secondi le operazioni di assemblaggio, l'impatto cumulativo può essere significativo. Inoltre, l'ottimizzazione della progettazione degli utensili può anche ridurre il tasso di scarto dei pezzi, contribuendo all'efficienza operativa complessiva.

6. Svantaggi della stampa 3D di stampi a iniezione

Difetti di ritiro negli stampi stampati

Come tutte le parti stampate in 3D, gli stampi possono presentare una serie di difetti, come la deformazione causata dal ritiro durante il raffreddamento. Quando lo stampo si deforma, possono sorgere problemi quando si lavora con prodotti che richiedono tolleranze elevate.

Problemi di integrità strutturale

Gli stampi in plastica stampati in 3D sono meno stabili di quelli in metallo quando si tratta di resistere alle alte temperature e alle pressioni del processo di stampaggio a iniezione. La debole integrità strutturale dello stampo può portare a problemi come il degrado delle porte dello stampo e delle linee di saldatura, rendendolo inadatto alla produzione di grandi volumi.

La sperimentazione richiede rifiuti

Quando si stampa uno stampo in 3D da soli, è tipico generare alcuni scarti di plastica prima di ottenere il prodotto desiderato. Nonostante la versatilità della stampa 3D nel perfezionare i progetti, alcune imperfezioni potrebbero emergere solo nelle fasi finali, con conseguente aumento degli sprechi. È essenziale sottolineare che questi scarti sono riciclabili.

L'effetto di stampa è limitato dal materiale

Mentre le industrie di fascia alta possono stampare materie plastiche, alcuni metalli o ceramiche, la sfida attuale consiste nella stampa di materiali che sono sia costosi che scarsi. L'industria nel suo complesso necessita di una maggiore stabilità e facilità d'uso dei materiali, oltre a dover affrontare le strozzature nella ricerca e nello sviluppo di nuovi materiali. Inoltre, alcune apparecchiature per la stampa 3D non hanno ancora raggiunto un livello di maturità, ostacolando la loro capacità di supportare l'ampia gamma di materiali che si incontrano nella vita quotidiana.

Il prodotto finito è robusto e durevole?

Mentre case e automobili possono essere "stampate", sono in grado di resistere al vento e alla pioggia e di funzionare senza problemi su strada? Attualmente, la stampa 3D utilizza materiali polimerici, ognuno con il suo punto di fusione e le sue proprietà fluide. La combinazione di materiali diversi nella stampa 3D pone delle difficoltà che portano a difetti come l'elevata fragilità del prodotto finale.

Problemi di proprietà intellettuale

Nell'era odierna, caratterizzata da una crescente consapevolezza giuridica, si pone sempre più l'accento sulla salvaguardia dei diritti di proprietà intellettuale nei settori della musica, del cinema e della televisione. L'avvento della tecnologia di stampa 3D complica ulteriormente la questione, in quanto le preoccupazioni relative alla violazione del copyright e all'uso di prodotti contraffatti incombono.

La necessità di stabilire la legittimità dei diritti d'autore per i prodotti stampati in 3D e di impedire la riproduzione non autorizzata è emersa come una sfida cruciale per il progresso del settore. La formulazione di quadri giuridici da parte delle autorità competenti che regolano la stampa 3D è essenziale per salvaguardare i diritti di proprietà intellettuale e determinare l'uso responsabile di questa tecnologia innovativa.

Difficile superare i fattori ambientali

Nella sala di stampa 3D, problemi come l'insufficiente purificazione dell'aria, le lacune nella macchina e le impurità mescolate nei materiali in polvere metallica possono portare a variazioni del contenuto di ossigeno. Ciò può influire negativamente sulle proprietà meccaniche delle parti stampate e può persino causare cambiamenti nella loro composizione chimica. Pertanto, il rilevamento del contenuto di ossigeno nella sala stampa è fondamentale.

7.Conclusione

L'impatto della stampa 3D sull'industria manifatturiera è stato profondo. I prototipi che prima costavano centinaia di dollari e richiedevano settimane per essere prodotti possono ora essere progettati in mattinata, stampati durante la notte e consegnati ai clienti il giorno successivo. Alcune aziende hanno già iniziato a utilizzare i processi di stampa 3D per produrre stampi a iniezione.

Sono finiti i giorni in cui si aspettavano mesi per la produzione di stampi o si dovevano affrontare costi sostanziali per le modifiche agli stampi dovute a cambiamenti di progettazione a valle. Con la stampa 3D, gli stampi possono essere prodotti rapidamente, sia per la verifica dello stampo che per la produzione di piccoli lotti. parti stampate a iniezione.

La verità sugli stampi a iniezione stampati in 3D risiede nei loro sottili vantaggi e limiti. Sebbene il ciclo di produzione degli stampi sia più breve e i costi di produzione siano ridotti, i miglioramenti nella progettazione degli stampi aggiungono più funzionalità al prodotto finale. Gli strumenti ottimizzati sono più ergonomici e migliorano le prestazioni minime, mentre gli stampi personalizzati aiutano a ottenere un prodotto finale su misura.

Tuttavia, esistono delle sfide, come i difetti di contrazione nello stampo di stampa, i problemi di integrità strutturale, gli sprechi negli esperimenti, le limitazioni negli effetti di stampa dovute ai materiali, le preoccupazioni sulla resistenza e la durata del prodotto finito, le preoccupazioni sulla proprietà intellettuale e le difficoltà nell'affrontare i fattori ambientali.

Pertanto, gli stampi a iniezione stampati in 3D possono essere uno strumento prezioso nell'arsenale di produzione, in particolare per le iterazioni rapide e le applicazioni specializzate, ma non sono una soluzione universale. Ogni progetto richiede un'attenta considerazione dei suoi requisiti unici e delle capacità della tecnologia di stampa 3D.