Prefácio: A indústria de moldagem por injeção, em rápido crescimento e altamente competitiva, está avaliada em centenas de milhares de milhões de dólares, levando os fabricantes a procurar formas mais eficientes e económicas de manter uma vantagem competitiva.

A impressão 3D, também designada por fabrico aditivo, permite a estas empresas produzir produtos de qualidade superior moldagem por injeção moldes e ferramentas mais rapidamente e de forma mais económica do que os métodos tradicionais. Pode dizer-se que os moldes impressos em 3D estão a revolucionar a indústria de fabrico de moldes.

De acordo com a Intelligent Manufacturing Network News, a impressão 3D é considerada uma das tecnologias de ponta com um vasto potencial de desenvolvimento e amplas possibilidades de aplicação, quase omnipresente em todo o mundo.

A partir de agora, a utilização da impressão 3D nos sectores da educação, saúde, automóvel, aeroespacial e outros está a aprofundar-se progressivamente, demonstrando o seu valor na implementação comercial. Assim, qual é a realidade por detrás dos moldes de injeção impressos em 3D?

Neste artigo, vamos apresentar-lhe a verdade sobre os moldes de injeção para impressão 3D.

1. Breve panorâmica da tecnologia de impressão 3D

A impressão 3D (3DP) é um tipo de tecnologia de prototipagem rápida, também conhecida como fabrico aditivo. Baseia-se em ficheiros de modelos digitais e utiliza materiais adesivos, como metal em pó ou plástico, para construir estruturas através da impressão camada a camada.

É normalmente obtida através de impressoras de materiais de tecnologia digital e é normalmente utilizada para criar modelos em domínios como o fabrico de moldes e o design industrial. Está a ser gradualmente utilizada no fabrico direto de alguns produtos, com peças já impressas com sucesso utilizando esta tecnologia.

A impressão 3D é normalmente efectuada com recurso a impressoras de materiais de tecnologia digital. É normalmente utilizada para criar modelos no fabrico de moldes, no design industrial e noutros domínios, e é cada vez mais utilizada no fabrico direto de determinados produtos. Algumas peças já foram impressas com esta tecnologia

2. Moldagem por injeção

A técnica conhecida como moldagem por injeção envolve a injeção de materiais plásticos aquecidos e derretidos na cavidade do molde a alta pressão, permitindo que arrefeçam e solidifiquem. Este método é utilizado principalmente para fins de produção em massa. No centro deste processo está o molde de injeção, que produz rapidamente e com precisão estruturas completas e dimensões precisas para produtos de plástico.

O atual processo de fabrico de moldes, geralmente designado por abertura do molde, envolve normalmente um processamento mecânico. O processo pode ser descrito da seguinte forma: Inicialmente, é gerado um molde digital utilizando um software baseado no modelo 3D do produto final. Isto inclui a definição dos números das cavidades, das localizações das portas e dos sistemas de canais necessários para o molde. moldagem por injeção processo.

Os componentes do molde são maquinados utilizando ferramentas como CNC, fresadoras e tornos. Para obter melhores produtos moldados por injeção, o molde necessita frequentemente de acabamento e polimento final para melhorar a qualidade da superfície. Este processo é laborioso e o ciclo de produção típico para moldes de injeção de precisão é de aproximadamente 20-25 dias.

3. Impressão 3D de moldes de plástico

Ao combinar materiais fortes e resistentes à temperatura com uma impressora 3D de plástico (ou polímero), as empresas podem produzir os seus próprios moldes de injeção internamente ou encomendá-los prontamente a um fornecedor de serviços. Os moldes de plástico impressos em 3D são adequados para a produção de pequenas quantidades de peças (entre 100 e 10.000, dependendo do material) e são significativamente mais económicos, com um preço 90% inferior ao dos moldes de metal.

Se o orçamento for limitado e o prazo de entrega for curto, a impressão 3D em plástico é o método de fabrico de moldes preferido. Também é muito utilizada para a criação de protótipos, permitindo que as empresas testem e iterem mais rapidamente antes de fazerem a transição para as ferramentas tradicionais de produção em massa com maior confiança.

Tecnologias e materiais utilizados

Tecnologia 1: A modelação por deposição fundida (FDM) é a solução de impressão 3D mais económica para o fabrico de moldes de plástico. No entanto, podem ocorrer camadas visíveis com este método. Para alcançar a precisão desejada, as camadas têm de ser removidas através de pós-moagem ou tratamento químico. Além disso, estes moldes podem ser maquinados com tolerâncias mais apertadas.

Tecnologia 2: A impressão 3D em resina, incluindo a estereolitografia (SLA) e o processamento digital de luz (DLP), são as tecnologias mais populares porque produzem moldes com um acabamento de superfície mais fino que requerem menos pós-processamento.

Terceira tecnologia: A sinterização selectiva a laser (SLS) é uma tecnologia que utiliza materiais poliméricos em pó e um laser para fornecer moldes com elevada qualidade de superfície e resistência, frequentemente feitos de nylon reforçado.

Quando se trata de impressão 3D, existe uma vasta gama de plásticos à escolha. No entanto, nem todos os materiais conseguem lidar com as altas pressões e temperaturas envolvidas na moldagem por injeção. A escolha do material depende de factores como a temperatura de fusão do plástico, a pressão de injeção da máquina e o volume de peças necessárias.

Os materiais mais utilizados são o PETG, o polipropileno (PP), a resina de molde, o nylon (PA), o nylon com fibra de carbono, etc. No entanto, normalmente só podem suportar dezenas a centenas de ciclos de moldagem por injeção. Para séries de produção de grande volume que requerem milhares de peças, o metal continua a ser preferido ao plástico na maioria dos casos.

Casos típicos de aplicação

A PepsiCo estabeleceu uma parceria com a Henkel Loctite Nexa3D para criar inserções de molde utilizando o material de resina xPEEK147 e uma impressora 3D Nexa3D NXE 400. Estas inserções são depois integradas com componentes de moldes de metal tradicionais. O molde completo pode agora ser fabricado em apenas 12 horas, com 8 horas dedicadas à impressão 3D e 4 horas ao pós-processamento e cura.

O tempo de desenvolvimento do molde do protótipo foi drasticamente reduzido de 4 semanas para apenas 48 horas, uma melhoria significativa na eficiência. Além disso, o custo de cada conjunto de moldes registou uma diminuição substancial de $10.000 para $350. Estes inovadores moldes de fabrico híbrido demonstraram a capacidade de produzir mais de 10.000 garrafas sem quaisquer falhas, resultando numa potencial poupança de custos de até 96% em comparação com os moldes de metal tradicionais.

No domínio das actividades tradicionais moldagem por injeçãoNo entanto, o principal fator de custo reside no fabrico do molde. São destacados os meandros da recuperação do custo de produção do molde apenas através da produção em massa e da venda de produtos. É enfatizado que, para produtos com ciclos de vida curtos ou procura limitada, o investimento em ferramentas maquinadas pode não ser financeiramente viável. Nesses cenários, a opção pelo fabrico de moldes através da impressão 3D é apresentada como uma alternativa mais vantajosa.

Esta mudança para a impressão 3D não só proporciona uma solução económica, como também permite uma maior flexibilidade na personalização de produtos e na produção de pequenos lotes. Os fabricantes são encorajados a tirar partido desta abordagem para alargar a sua oferta de produtos dentro de parâmetros económicos. As capacidades de produção expedita dos moldes impressos em 3D permitem que os fabricantes respondam prontamente à procura de novos produtos por parte dos clientes, conduzindo a um desenvolvimento e produção eficientes de produtos de pequena tiragem.

4. Molde de metal para impressão 3D

Os factores que impulsionam o aumento da utilização de moldes metálicos impressos em 3D diferem significativamente das vantagens dos moldes de plástico impressos em 3D. Contrariamente à crença popular, há casos em que os moldes metálicos impressos em 3D podem ser mais caros e mais demorados a criar em comparação com os moldes metálicos convencionais. A vantagem não reside no fabrico dos moldes, mas na relação custo-eficácia da produção de todo o produto utilizando moldes impressos em 3D.

Tecnologias e materiais utilizados

A impressão 3D em metal permite a criação de moldes para a produção de produtos finais e protótipos com detalhes intrincados, permitindo aos fabricantes simplificar o processo tradicional de fabrico de moldes e reduzir a necessidade de maquinistas qualificados.

Uma técnica comum é a fusão selectiva a laser (SLM), um método fundamental no fabrico aditivo de materiais metálicos. Embora a SLM consiga obter detalhes finos, é frequentemente necessária maquinação adicional. Tendo em conta os actuais custos e velocidades de processamento, é improvável que a impressão 3D de metal substitua totalmente a maquinação de ferramentas de moldagem por injeção, servindo antes como uma ferramenta complementar para acelerar a produção global.

Outra tecnologia de impressão 3D, a deposição direta de energia (DED), utiliza um laser para criar uma poça de fusão na área de deposição e movimentá-la rapidamente. O material, em pó ou filamento, é alimentado diretamente na zona de fusão a alta temperatura e depositado camada a camada após a fusão. Esta abordagem permite a criação de moldes metálicos utilizando vários materiais metálicos. Por exemplo, pode ser aplicada uma camada de aço inoxidável sobre um substrato de cobre puro para combinar uma elevada condutividade térmica com resistência ao desgaste.

Necessário em ferramentas de moldagem por injeção.

As peças metálicas impressas em 3D requerem frequentemente um processamento adicional, o que levou a um aumento das máquinas híbridas que combinam a impressão 3D e as capacidades CNC. A máquina TrueShape, desenvolvida pela Mantle, uma empresa de impressão 3D de metal, exemplifica esta tendência.

O processo começa com a impressão em 3D de um molde metálico utilizando pasta de aço para ferramentas extrudível. Posteriormente, são utilizadas máquinas CNC de precisão para refinar o molde com tolerâncias exactas antes de o sinterizar num forno de alta temperatura.

Casos típicos de aplicação

A impressão 3D está a provocar uma revolução na indústria de fabrico de moldes ao permitir a criação de moldes com canais de arrefecimento conformes complexos. Estes canais desempenham um papel crucial no fabrico de moldes de metal. moldagem por injeção ferramentas, facilitando um arrefecimento mais rápido e uniforme das peças.

Dado que a fase de arrefecimento consome normalmente 70% a 80% de todo o tempo de ciclo, qualquer redução nesta fase ao longo da vida útil do molde pode resultar numa poupança substancial de custos para os fabricantes. Além disso, um arrefecimento eficaz tem um impacto significativo na precisão dimensional, no acabamento da superfície e nas propriedades mecânicas do produto final.

As técnicas tradicionais de maquinação envolvem a adição de canais de arrefecimento ao molde através de perfuração a direito. No entanto, à medida que a complexidade da geometria da peça aumenta, conseguir um arrefecimento preciso ao longo dos contornos do molde torna-se cada vez mais difícil. Isto pode tornar a produção tradicional de peças complexas num esforço árduo e dispendioso.

Em comparação com os processos tradicionais, a impressão 3D pode criar canais de arrefecimento curvos dentro do molde que são moldados de acordo com a geometria da peça e fornecem arrefecimento onde é mais necessário para melhorar a qualidade da peça e reduzir o tempo de arrefecimento até 70%.

Um excelente exemplo é a Yijia, um fabricante de chávenas tridimensionais. Anteriormente, as chávenas produzidas por moldagem por injeção tradicional apresentavam uma baixa transparência e uma moldagem por injeção ineficaz. Esta ineficiência resultava dos moldes para copos fabricados através da tecnologia CNC tradicional, que apenas podia processar canais de arrefecimento verticais, não conseguindo assim arrefecer adequadamente o molde.

Com a impressora 3D Eplus3D EP-M250 SLM, é possível produzir moldes metálicos complexos com canais de arrefecimento conformes. A moldagem final necessita agora apenas de 16,63 segundos para atingir a temperatura ideal para a pulverização. Em contrapartida, os moldes tradicionais demoram 22,97 segundos, o que permite poupar mais de 6 segundos e aumentar a eficácia da injeção em cerca de 26%.

As vantagens da incorporação de canais de refrigeração conformes através da impressão 3D são evidentes em vários sectores do fabrico de moldes. Consideremos os cigarros electrónicos, por exemplo. A Guangdong Moko afirma: "Nos últimos três anos, a nossa compreensão dos materiais PCTG aprofundou-se significativamente, em particular nos cigarros electrónicos.

A utilização deste material em conjunto com a tecnologia de impressão 3D exemplifica uma abordagem única que se desvia dos métodos convencionais." Este facto sublinha o papel fundamental da impressão 3D na revolução da indústria de moldes, abordando eficazmente desafios inatingíveis através dos meios tradicionais.

5. Vantagens da impressão 3D de moldes de injeção

Ciclo de produção de moldes reduzido

A impressão 3D de moldes reduz significativamente o ciclo de desenvolvimento de produtos, impulsionando a inovação. Anteriormente, as empresas optavam por vezes por adiar ou renunciar a actualizações do design do produto devido ao investimento substancial necessário para o fabrico de novos moldes. Ao reduzir o tempo de espera para a produção de moldes e ao permitir actualizações rápidas das ferramentas de design existentes, a impressão 3D permite às empresas efetuar alterações e melhorias mais frequentes nos moldes. Esta capacidade assegura que o ciclo de conceção do molde está alinhado com o ciclo de conceção do produto.

Além disso, algumas empresas investiram no seu próprio equipamento de impressão 3D para produzir moldes, acelerando ainda mais o desenvolvimento de produtos e aumentando a flexibilidade e a adaptabilidade. Esta abordagem estratégica reforça a resiliência da cadeia de abastecimento contra riscos como prazos prolongados e estagnação do desenvolvimento, evitando assim a aquisição de moldes inadequados aos fornecedores.

Redução dos custos de fabrico

Se o custo atual da impressão 3D de metal é superior ao custo dos processos tradicionais de fabrico de metal, então é mais fácil conseguir reduções de custos no domínio dos produtos de plástico.

Os moldes metálicos impressos em 3D oferecem vantagens económicas na produção de séries pequenas e descontínuas de produtos finais (uma vez que os custos fixos destes produtos são difíceis de amortizar) ou para geometrias específicas optimizadas para a impressão 3D, proporcionando benefícios económicos ainda maiores. Esta vantagem torna-se particularmente evidente quando os materiais utilizados são extremamente dispendiosos e o fabrico tradicional de moldes resulta em elevadas taxas de desperdício de material, onde a impressão 3D pode oferecer uma vantagem em termos de custos.

Além disso, a capacidade da impressão 3D para produzir moldes precisos numa questão de horas pode ter um impacto significativo nos processos de fabrico e na rentabilidade, especialmente em cenários em que o tempo de inatividade da produção ou a manutenção de inventários de ferramentas é dispendioso.

Por vezes, é frequente que o molde necessite de ser modificado após o início da produção. A adaptabilidade da impressão 3D permite que os engenheiros testem várias iterações em simultâneo, reduzindo assim as despesas iniciais resultantes das alterações ao design do molde.

Melhorias no design do molde acrescentam mais funcionalidade aos produtos finais

A metalurgia única envolvida na impressão 3D de metais melhora frequentemente a microestrutura do metal, resultando em peças impressas totalmente densas que possuem propriedades mecânicas e físicas comparáveis ou mesmo superiores às dos materiais forjados ou fundidos (com base no tratamento térmico e na orientação do ensaio). O fabrico aditivo oferece aos engenheiros uma infinidade de possibilidades para melhorar o design do molde.

Em cenários em que a peça pretendida inclui vários subcomponentes, a impressão 3D permite uma integração perfeita do design, levando a uma redução do número de peças necessárias. Isto simplifica o processo de montagem do produto e minimiza as tolerâncias.

Além disso, pode integrar funções de produto complexas, permitindo o fabrico mais rápido de produtos finais altamente funcionais com menos defeitos. Por exemplo, a qualidade global de uma peça moldada por injeção é influenciada pelas condições de transferência de calor entre o material injetado e o fluido de arrefecimento que flui através do dispositivo de fixação das ferramentas. Quando produzida utilizando métodos tradicionais, os canais que dirigem o material de arrefecimento são normalmente rectos, resultando num efeito de arrefecimento mais lento e desigual na peça moldada.

A impressão 3D permite a criação de canais de arrefecimento em qualquer formato para facilitar o arrefecimento conformacional, que é mais optimizado e uniforme, resultando, em última análise, em peças de maior qualidade e taxas de refugo reduzidas. Além disso, uma dissipação de calor mais rápida diminui significativamente o tempo do ciclo de moldagem por injeção, uma vez que o período de arrefecimento representa normalmente até 70% de todo o processo de moldagem. moldagem por injeção ciclo.

Otimizar as ferramentas para serem mais ergonómicas e melhorar o desempenho mínimo

A impressão 3D reduz significativamente as barreiras à validação de novas ferramentas que respondem a necessidades não satisfeitas no fabrico, permitindo a produção de acessórios móveis e fixos adicionais. Historicamente, as ferramentas e os dispositivos relacionados têm sido concebidos para terem a máxima longevidade, dados os custos e esforços substanciais envolvidos na sua conceção e fabrico. Ao aproveitar a tecnologia de impressão 3D, as empresas podem renovar qualquer ferramenta em qualquer momento, não se limitando àquelas consideradas obsoletas e inadequadas para o trabalho.

Com um tempo e investimento inicial mínimos, a impressão 3D torna mais rentável o ajuste fino das ferramentas para um melhor desempenho marginal. Consequentemente, os técnicos podem ter em conta considerações ergonómicas durante a fase de conceção para aumentar o conforto operacional, diminuir a duração do processamento e simplificar a utilização e o armazenamento.

Embora estas melhorias possam reduzir apenas alguns segundos nas operações de montagem, o impacto cumulativo pode ser significativo. Além disso, a otimização da conceção das ferramentas pode também reduzir a taxa de desperdício de peças, contribuindo para a eficiência operacional global.

6. Desvantagens da impressão 3D de moldes de injeção

Defeitos de retração em moldes impressos

Tal como todas as peças impressas em 3D, os moldes podem sofrer de uma variedade de defeitos, como a deformação causada pelo encolhimento durante o arrefecimento. Quando o molde se deforma, podem surgir problemas quando se trabalha com produtos que exigem tolerâncias elevadas.

Questões de integridade estrutural

Os moldes de plástico impressos em 3D são menos estáveis do que os moldes de metal quando se trata de suportar as altas temperaturas e pressões do processo de moldagem por injeção. A fraca integridade estrutural do molde pode levar a problemas como a degradação das portas do molde e das linhas de soldadura, tornando-o inadequado para a produção de grandes volumes.

A experimentação requer resíduos

Quando o próprio utilizador imprime um molde em 3D, é normal gerar alguns resíduos de plástico antes de obter o produto desejado. Apesar da versatilidade da impressão 3D para refinar os designs, algumas imperfeições podem surgir apenas nas fases finais, levando a um maior desperdício. É essencial salientar que estes resíduos são recicláveis.

O efeito de impressão é limitado pelo material

Embora as indústrias de topo de gama possam imprimir plásticos, certos metais ou cerâmicas, o desafio atual reside na impressão de materiais que são simultaneamente caros e escassos. A indústria como um todo necessita de maior estabilidade e facilidade de utilização dos materiais, para além de enfrentar estrangulamentos na investigação e desenvolvimento de novos materiais. Além disso, alguns equipamentos de impressão 3D ainda não atingiram um nível de maturidade, dificultando a sua capacidade de suportar a vasta gama de materiais encontrados no quotidiano.

O produto acabado é robusto e duradouro?

Apesar de as casas e os carros poderem ser "impressos", será que conseguem resistir ao vento e à chuva e funcionar sem problemas na estrada? Atualmente, a impressão 3D utiliza materiais poliméricos, cada um com o seu ponto de fusão e propriedades fluidas. Surgem desafios na combinação de diferentes materiais na impressão 3D, levando a deficiências como a elevada fragilidade do produto final.

Preocupações com a propriedade intelectual

Na era atual de crescente consciência jurídica, as pessoas estão a dar maior ênfase à salvaguarda dos direitos de propriedade intelectual nos sectores da música, do cinema e da televisão. O advento da tecnologia de impressão 3D complica ainda mais esta questão, uma vez que as preocupações em torno da violação dos direitos de autor e da utilização de contrafacções são grandes.

A necessidade de estabelecer a legitimidade dos direitos de autor dos produtos impressos em 3D e de impedir a reprodução não autorizada surgiu como um desafio crucial para o avanço da indústria. A formulação de quadros jurídicos pelas autoridades competentes que regem a impressão 3D é essencial para salvaguardar os direitos de propriedade intelectual e determinar a utilização responsável desta tecnologia inovadora.

Factores ambientais difíceis de ultrapassar

Na sala de impressão 3D, problemas como a purificação insuficiente do ar, as lacunas na máquina e as impurezas misturadas nos materiais de pó metálico podem levar a variações no teor de oxigénio. Isto pode afetar negativamente as propriedades mecânicas das peças impressas e pode mesmo causar alterações na sua composição química. Por conseguinte, a deteção do teor de oxigénio na sala de impressão é crucial.

7.Conclusão

O impacto da impressão 3D na indústria transformadora tem sido profundo. As peças de protótipo que anteriormente custavam centenas de dólares e demoravam semanas a produzir podem agora ser concebidas numa manhã, impressas durante a noite e entregues aos clientes no dia seguinte. Algumas empresas já começaram a utilizar processos de impressão 3D para fabricar moldes de injeção.

Longe vão os dias de espera de meses para a produção de moldes ou de custos substanciais para modificações de moldes devido a alterações de design a jusante. Com a impressão 3D, os moldes podem ser produzidos rapidamente, seja para verificação do molde ou produção de pequenos lotes de peças moldadas por injeção.

A verdade sobre os moldes de injeção impressos em 3D reside nas suas subtis vantagens e limitações. Embora o ciclo de produção do molde seja encurtado e os custos de fabrico sejam reduzidos, as melhorias no design do molde acrescentam mais funcionalidade ao produto final. As ferramentas optimizadas são mais ergonómicas e melhoram o desempenho mínimo, enquanto os moldes personalizados ajudam a obter um produto final à medida.

No entanto, existem desafios, tais como defeitos de retração no molde de impressão, problemas de integridade estrutural, desperdício nas experiências, limitações nos efeitos de impressão devido aos materiais, preocupações com a resistência e durabilidade do produto acabado, preocupações com a propriedade intelectual e dificuldades em lidar com factores ambientais.

Por conseguinte, os moldes de injeção impressos em 3D podem ser uma ferramenta valiosa no arsenal de fabrico, particularmente para iterações rápidas e aplicações especializadas, mas não são uma solução universal. Cada projeto exige uma análise cuidadosa dos seus requisitos únicos e das capacidades da tecnologia de impressão 3D.