Prefácio: A indústria de moldagem por injeção, em rápido crescimento e altamente competitiva, vale centenas de milhares de milhões de dólares, o que leva os fabricantes a procurar métodos mais eficientes e de menor custo para se manterem na vanguarda. Também conhecida como fabrico aditivo, a impressão 3D ajuda os fabricantes a criar melhores moldes de injeção e ferramentas de forma mais rápida e mais barata do que os processos tradicionais. Este artigo explica principalmente porque é que deve escolher a impressão 3D para moldes.

Vantagens e desvantagens da impressão 3D de moldes metálicos

Como imprimir moldes de metal em 3D?

A impressão 3D alarga a gama de materiais disponíveis, utiliza a sinterização a laser para construir camadas e transforma o desenho CAD no derradeiro produto tridimensional.

Quais são as vantagens dos moldes metálicos definidos em 3D?

Melhorias no design do molde acrescentam mais funcionalidade aos produtos finais

O método metalúrgico especial utilizado na impressão 3D de metal pode melhorar a microestrutura do metal e criar peças impressas totalmente densas. Este método permite a integração de funções complexas do produto, facilitando assim a produção de produtos finais altamente funcionais de uma forma mais eficiente e com menos defeitos.

Por exemplo, a qualidade de uma peça moldada por injeção é grandemente influenciada pelas condições de transferência de calor entre o material injetado e o fluido de arrefecimento que circula através do dispositivo de fixação das ferramentas. Os processos de fabrico tradicionais apresentam normalmente canais rectos para o material de arrefecimento, o que leva a um efeito de arrefecimento mais lento e desigual na peça moldada.

Em contrapartida, a impressão 3D permite a criação de canais de arrefecimento em qualquer forma desejada, assegurando um arrefecimento conforme que é mais optimizado e uniforme. Isto, por sua vez, resulta em peças de maior qualidade e taxas de refugo mais baixas. Além disso, a rápida dissipação de calor reduz consideravelmente o tempo do ciclo de moldagem por injeção, uma vez que o arrefecimento constitui normalmente até 70% da duração total do ciclo.

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

A impressão 3D reduz significativamente a barreira à validação de novas ferramentas para responder a necessidades não satisfeitas no fabrico, permitindo a criação de um maior número de acessórios móveis e fixos. Historicamente, as ferramentas e os dispositivos relacionados eram concebidos para maximizar a longevidade, tendo em conta as despesas e os esforços substanciais envolvidos na sua conceção e fabrico.

Através da utilização da tecnologia de impressão 3D, as empresas ganham a flexibilidade de renovar qualquer ferramenta em qualquer altura, e não apenas aquelas que foram descartadas por não cumprirem os requisitos.

Requerendo um tempo e um investimento inicial mínimos, a impressão 3D torna mais económico melhorar as ferramentas para um desempenho marginal superior. Consequentemente, os técnicos podem dar prioridade a aspectos como a ergonomia nos seus projectos para aumentar o conforto operacional, diminuir a duração do processamento e melhorar a facilidade de utilização e de armazenamento. Embora estas melhorias possam resultar apenas numa redução marginal do tempo de operação de montagem, o impacto cumulativo não deve ser subestimado.

Além disso, a otimização da conceção das ferramentas também pode reduzir a taxa de desperdício das peças. A mesma qualidade dos moldes maquinados; pode criar canais de arrefecimento conformes; utiliza menos matérias-primas e é mais rápido do que os moldes maquinados; pode imprimir várias versões de moldes de uma só vez; tem mais opções de aplicação, adequadas para fabricantes subcontratados; evita a fuga de dados, solução interna para proteger a propriedade intelectual; peças moldadas por injeção têm a mesma qualidade.

Ciclos de produção mais curtos, a capacidade de fabricar geometrias mais complexas e custos de fabrico finais mais baixos permitem às empresas criar um grande número de ferramentas personalizadas para apoiar o fabrico de peças personalizadas.

Os moldes personalizados ajudam a personalizar o produto final, e os moldes de impressão 3D são muito benéficos para a produção personalizada, como o equipamento médico e a indústria médica. Pode fornecer aos cirurgiões instrumentos personalizados impressos em 3D, tais como guias e ferramentas cirúrgicas, permitindo-lhes melhorar os resultados cirúrgicos e reduzir o tempo de cirurgia.

Quais são as desvantagens da impressão 3D de moldes metálicos?

Pode demorar mais tempo e custar mais do que a maquinagem; requer mais tempo de conceção inicial; e exige competências mais elevadas. O processamento pós-usinagem pode ainda ser necessário para cumprir os requisitos de precisão, e os tamanhos dos moldes são limitados. Os materiais mais utilizados são o aço inoxidável e o aço para ferramentas.

Quais são os exemplos típicos de moldes de metal para impressão 3D?

Bridgestone

Criar pneus de alta qualidade para todas as estações. Tradicionalmente, os moldes de pneus eram fabricados através da fixação manual de tiras e blocos de metal num padrão específico a um molde básico. Os componentes metálicos, com as suas geometrias simples, eram fabricados com ferramentas de maquinagem convencionais.

No entanto, a Bridgestone adoptou tecnologia de ponta, utilizando máquinas SLM do fabricante alemão SLM Solutions para produzir moldes de metal impressos em 3D. Esta abordagem inovadora permite que os engenheiros criem moldes com formas e padrões que anteriormente eram inatingíveis.

Ao redesenhar os moldes, o desempenho de tração do pneu pode ser melhorado sem comprometer a sua longevidade. A SLM Solutions conseguiu um feito notável ao imprimir com sucesso em 3D um molde de pneu de aço com uma espessura de apenas 0,3 mm no seu ponto mais fino. A Bridgestone não é o único gigante da indústria a tirar partido da tecnologia de impressão 3D; a Michelin tem vindo a oferecer pneus fabricados com esta técnica avançada desde 2013.

Ventosas Eplus3D

No passado, os fabricantes utilizavam a moldagem por injeção tradicional para produzir copos com baixa transparência e baixa eficiência de moldagem por injeção. A principal razão é que o molde para copos produzido pela tecnologia CNC tradicional só pode processar canais de arrefecimento verticais, que não conseguem arrefecer eficazmente o molde. O molde de injeção para copos produzido pela impressora 3D EP-M250 SLM apresenta um molde de metal com canal de arrefecimento conformacional complexo produzido com a impressora 3D Eplus3D EP-M250 SLM.

A coquilha final demora apenas 16,63 segundos a atingir a temperatura de pulverização. Esta é uma melhoria significativa em comparação com os moldes tradicionais que demoram 22,97 segundos, resultando numa redução de mais de 6 segundos e aumentando a eficiência da injeção em cerca de 26%.

Quais são as tecnologias e materiais de moldes metálicos?

A tecnologia de moldes metálicos inclui principalmente

Fusão selectiva por laser (SLM)

no fabrico aditivo de materiais metálicos. Apesar da capacidade de obter detalhes intrincados através deste processo, a maquinação adicional continua a ser predominante. Atualmente, devido a considerações de custo e velocidades de processamento, é improvável que a impressão 3D de metal suplante completamente a maquinação de ferramentas de moldagem por injeção. Em vez disso, serve como um complemento que aumenta a eficiência da produção global.

Deposição direta de energia (DED)

O laser cria uma poça de fusão na área de deposição e move-a a alta velocidade. O material é enviado diretamente para a zona de fusão a alta temperatura sob a forma de pó ou filamento e é depositado camada a camada após a fusão. Este método torna possíveis os moldes metálicos para uma variedade de materiais metálicos. Por exemplo, uma camada superior de aço inoxidável pode ser aplicada sobre um substrato de cobre puro para combinar uma elevada condutividade térmica com resistência ao desgaste, propriedades necessárias em moldagem por injeção ferramentas.

Os materiais dos moldes metálicos incluem principalmente

De acordo com o tipo de material, os materiais metálicos para impressão 3D podem ser divididos em ligas à base de ferro, titânio e ligas à base de titânio, ligas à base de níquel, ligas de cobalto-crómio, ligas de alumínio, ligas de cobre e metais preciosos.

Liga à base de ferro

As ligas à base de ferro são um tipo de liga que foi estudado mais cedo e mais profundamente em materiais metálicos para impressão 3D. As ligas à base de ferro mais utilizadas incluem o aço para ferramentas, o aço inoxidável 316L, o aço rápido M2, o aço para moldes H13 e o aço maraging 15-5PH, etc.. As ligas à base de ferro têm baixo custo, elevada dureza, boa tenacidade e boa maquinabilidade, o que as torna particularmente adequadas para o fabrico de moldes.

A impressão 3D de moldes de canais de água conformados é uma das principais aplicações das ligas à base de ferro. Os canais de água com formas especiais são difíceis de processar com os processos tradicionais. No entanto, a impressão 3D pode controlar a disposição dos canais de arrefecimento para que sejam basicamente consistentes com a geometria da cavidade, o que pode melhorar a uniformidade do campo de temperatura e reduzir eficazmente os defeitos do produto e aumentar a vida útil do molde.

Titânio e ligas de titânio

O titânio e as ligas de titânio tornaram-se materiais ideais nos domínios dos dispositivos médicos, equipamento químico, equipamento aeroespacial e desportivo devido à sua notável elevada resistência específica, boa resistência ao calor, resistência à corrosão e boa biocompatibilidade. No entanto, as ligas de titânio são normalmente materiais difíceis de maquinar.

Sofrem de grande tensão, alta temperatura e desgaste severo das ferramentas durante o processamento, o que limita a ampla aplicação das ligas de titânio. A tecnologia de impressão 3D é particularmente adequada para o fabrico de titânio e ligas de titânio. Em primeiro lugar, a impressão 3D é feita num ambiente de atmosfera protetora. O titânio não reage facilmente com elementos como o oxigénio e o azoto. O rápido aquecimento e arrefecimento das micro-áreas também limita a volatilização dos elementos de liga;

Em segundo lugar, as formas complexas podem ser fabricadas sem processamento de corte, e a taxa de utilização de material com base em materiais em pó ou fio é elevada, o que não causará desperdício de matérias-primas e reduzirá significativamente os custos de fabrico. Atualmente, os tipos de titânio e ligas de titânio impressos em 3D incluem Ti puro, Ti6A14V (TC4) e Ti6A17Nb, que podem ser amplamente utilizados em peças aeroespaciais (Figura 3) e implantes artificiais (como ossos, dentes, etc.).

Vantagens e desvantagens da impressão 3D de moldes de plástico

Como imprimir moldes de plástico em 3D?

A utilização de materiais duráveis e resistentes ao calor em conjunto com uma impressora 3D de plástico (ou polímero) permite às empresas produzir os seus moldes de injeção internamente ou adquiri-los rapidamente a um fornecedor de serviços.

Quais são as vantagens da impressão 3D de moldes de plástico?

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

A impressão 3D reduz as barreiras à validação de novas ferramentas que respondem a necessidades de fabrico não satisfeitas, permitindo a integração de mais acessórios móveis e fixos nos processos de produção. Convencionalmente, as ferramentas e o equipamento relacionado foram concebidos para uma durabilidade máxima, de modo a evitar os custos significativos e a mão de obra associados à reconcepção e produção. Graças à tecnologia de impressão 3D, as empresas podem agora renovar qualquer ferramenta em qualquer altura, não se limitando apenas àquelas que foram descartadas e consideradas inadequadas.

Baixo custo

Os métodos tradicionais de produção de moldes de injeção são normalmente dispendiosos e demorados, uma vez que requerem maquinaria de precisão e conhecimentos especializados por parte do fabricante de moldes. Por outro lado, a impressão 3D oferece uma alternativa mais económica para a produção de moldes.

A impressão direta de moldes a partir de uma impressora 3D pode ser adequada para peças de baixo volume (variando entre 100 e 10.000+, dependendo do material) e pode custar até 90% menos do que os moldes de metal. A impressão 3D em plástico surge como o método de fabrico de moldes preferido quando os prazos de entrega curtos e os custos baixos são considerações fundamentais.

De acordo com os relatórios, os moldes de impressão 3D podem poupar até 80% de custos em comparação com as tecnologias tradicionais. São muito mais rápidos e económicos do que a produção tradicional de moldes de metal. Podem ser impressas várias versões de moldes em simultâneo, oferecendo maiores opções de aplicação e tornando-os adequados para fabricantes subcontratados. Esta solução interna evita a fuga de dados e protege os direitos de propriedade intelectual, assegurando que a peças moldadas por injeção manter a mesma qualidade.

A impressão 3D requer menos passos do que a maquinagem, com uma média de apenas seis dias úteis necessários para completar o molde e a peça. De facto, o fabrico de moldes pode ser concluído em apenas algumas horas, tornando o processo rápido e eficiente.

Os moldes de injeção complexos podem agora ser impressos em 3D utilizando resinas dissolvíveis, impressoras 3D de plástico (ou polímero) e materiais duráveis e resistentes à temperatura. Este avanço permite às empresas produzir os seus próprios moldes internamente ou adquiri-los facilmente a fornecedores de serviços.

Quais são as desvantagens dos moldes de plástico para impressão 3D?

Os moldes de plástico apresentam normalmente uma condutividade térmica mais baixa do que os moldes de metal, o que leva a tempos de arrefecimento mais longos para as peças moldadas por injeção. Além disso, tendem a degradar-se mais rapidamente do que os seus homólogos metálicos, necessitando frequentemente de processos de pós-maquinação para obter uma precisão exacta. Além disso, os moldes de plástico estão limitados por opções de tamanho limitadas.

Quais são alguns exemplos típicos de moldes de plástico para impressão 3D?

Molde Zetar

A Zetar Mold é uma empresa de moldagem por injeção sediada em ShangHai, China, que oferece serviços de criação rápida de moldes e de moldagem por injeção de pequenos lotes. Em resposta à crescente procura de produção de baixo volume, a Zetar Mold adoptou a tecnologia de impressão 3D para criar moldes de plástico rentáveis para uma produção mais rápida de encomendas mais pequenas. Através da sua exploração, descobriram que a impressora 3D SLA da Formlabs, associada ao material de resina com enchimento de vidro da empresa, a resina Rigid 10K, era a combinação ideal para a sua máquina de moldagem por injeção industrial Babyplast.

Utilizando a Formlabs, a Zetar Mold é capaz de produzir rapidamente moldes de injeção impressos em 3D. Após a fase de conceção, a Zetar Mold pode imprimir e realizar o pós-processamento do molde num único dia. Ao integrar a peça impressa com a estrutura metálica existente do molde, a montagem pode ser concluída em apenas trinta minutos, permitindo o início imediato do processo de injeção. processo de moldagem por injeção. Embora cada molde esteja normalmente limitado a aproximadamente 100 utilizações, a Zetar Mold pode imprimir simultaneamente vários moldes para acomodar quantidades maiores de encomendas.

Impressoras 3D Markforged para produzir moldes termoendurecíveis. A empresa necessitava de um molde termoendurecido duradouro para substituir o dispendioso processo de silicone subcontratado, capaz de suportar forças de aperto significativas quando exposto a temperaturas até 150°C.

A Markforged criou com sucesso um molde em aproximadamente 60 horas utilizando a impressora X7 3D e materiais Onyx, com um custo de cerca de $240 por molde. Em comparação, os moldes de silicone maquinados necessitavam de 144 horas para serem produzidos e implicavam despesas de aproximadamente $1.000 por molde.

Addifab

A produção de protótipos utilizando o mesmo design e materiais que o produto final pode melhorar e acelerar significativamente o processo de teste de protótipos. A Addifab, uma start-up sediada na Bélgica, é especializada no fornecimento de moldes impressos em 3D para moldagem por injeção.

A Addifab oferece um material de resina patenteado para moldes de impressão 3D que pode suportar pressões de injeção de até 2.500 bar e temperaturas de fusão de 450°C. Subsequentemente, o molde dissolve-se completamente numa solução alcalina aquosa no espaço de 12 a 48 horas. A Addifab utiliza esta resina solúvel para imprimir moldes de injeção em 3D.

A Wilson Sporting Goods utilizou recentemente a resina Addifab na sua impressora de grande formato Nexa3D NXE 400 para produzir eficazmente várias versões de moldes de injeção para novas pegas de tacos de basebol.

Quais são os materiais dos moldes de plástico?

nylon

Caraterísticas do material: O nylon tem resistência a altas temperaturas, boa tenacidade e alta resistência. Em comparação com outros materiais, o nylon tem excelentes caraterísticas, tais como elevada fluidez, baixa eletricidade estática, baixa absorção de água, ponto de fusão moderado e elevada precisão dimensional dos produtos.

A sua resistência à fadiga e tenacidade podem também satisfazer as necessidades de peças que exigem propriedades mecânicas mais elevadas. É um plástico de engenharia. Material ideal para a impressão 3D.
Aplicações comuns: invólucros e caixas, artigos desportivos de consumo, protótipos de peças plásticas complexas e protótipos de forma, montagem ou funcionais.

Nylon de alto desempenho

Principais atributos: Material maleável e flexível com elevada durabilidade, desempenho e resistência ao impacto
Aplicações comuns: Protótipos resistentes ao impacto, gabaritos, acessórios, tubos e caixas de parede fina, fechos, clipes e dobradiças.

Resina fotossensível importada

Caraterísticas do material: Os materiais de resina fotossensível são amplamente utilizados devido à sua elevada suavidade e durabilidade. As peças impressas com este material podem ser submetidas a processos de pós-processamento, tais como esmerilagem, polimento, pintura, pulverização, galvanoplastia e serigrafia. O seu desempenho é semelhante ao do plástico de engenharia ABS. Com elevada precisão e superfície delicada, pode ser utilizado não só para peças de aparência, mas também para verificação estrutural, de montagem e funcional.

Aplicações comuns: electrodomésticos, fabrico rápido, modelos de protótipos, produtos electrónicos, educação e investigação científica, modelos arquitectónicos, modelos artísticos, fabrico de automóveis e outros domínios.

Conclusão

A indústria de moldagem por injeção, em rápido crescimento e altamente competitiva, com um valor de centenas de milhares de milhões de dólares, levou os fabricantes a procurar formas mais eficientes e económicas de se manterem na vanguarda.

A impressão 3D, também conhecida como fabrico aditivo, permite a estas empresas produzir moldes e ferramentas de moldagem por injeção de qualidade superior de forma mais rápida e económica do que os processos tradicionais. Pode dizer-se que os moldes de impressão 3D estão a revolucionar a indústria de fabrico de moldes.