A B&J Specialty aumenta a taxa de produção em 30% com molde de injeção de metal impresso em 3D com refrigeração de conformidade

Grandes variações de temperatura, num ciclo de arrefecimento de moldagem por injeção, podem aumentar drasticamente o risco de deformação das peças. Quando os testes de uma conduta para automóveis moldada por injeção, concebida e fabricada de forma convencional, revelaram flutuações de temperatura de 132˚C ao longo do processo, a B&J Specialty, Inc. recomendou ao seu cliente inserções de molde com arrefecimento por conformidade para um arrefecimento mais uniforme.

Para o conseguir, os engenheiros da B&J Specialty confiaram no software CAD/CAM Cimatron para conceber os moldes e conformar os canais de refrigeração internos paralelos à superfície da peça. Para fornecer estes complexos canais de refrigeração internos conformes com precisão, utilizaram o fabrico de aditivos metálicos (AM) numa impressora ProX DMP 300 para a produção.

O novo molde refrigerado em conformidade reduziu a variação da temperatura durante o arrefecimento para 18˚C e o tempo de ciclo de retração no molde de um minuto para 40 segundos, uma melhoria de produtividade global de 30%.

Linhas de arrefecimento sub-óptimas levam a variações de alta temperatura

Os moldes arrefecidos em conformidade aproveitam a tecnologia moderna para resolver um problema antigo. Muitas peças moldadas por injeção têm superfícies curvas, mas as brocas utilizadas para criar canais de refrigeração apenas produzem linhas retas. Na maioria dos casos, isto significa que é impossível fazer corresponder as linhas de arrefecimento à geometria da peça. As linhas retas de refrigeração produzidas convencionalmente têm de ultrapassar as características mais exteriores da peça, para evitar interferir com a cavidade, o que significa que as características mais próximas do centro da peça estão tipicamente longe da linha de refrigeração mais próxima. Isto resulta frequentemente em variações significativas da temperatura sobre o volume da peça no início do processo de arrefecimento.

A conduta automóvel que a B&J Specialty redesenhou para um arrefecimento mais eficiente apresenta múltiplas superfícies irregulares e curvas. No desenho original do molde, a B&J perfurou linhas retas de arrefecimento através de um cubo e de um bloco estator, utilizados para ajustar a geometria do molde para ter em conta a deformação. Como é frequentemente no caso das formas irregulares, várias características chave da conduta foram distanciadas das linhas de arrefecimento devido à limitação dos canais retos. As variações de temperatura geraram várias tensões residuais que tendiam a dobrar a peça à medida que esta arrefecia. No passado, este problema era resolvido alargando o ciclo de arrefecimento para assegurar a solidificação total da peça antes de a retirar do molde e ajustar os insertos de modo a ter em conta qualquer deformação restante. O problema com esta abordagem era que o prolongamento do ciclo de arrefecimento reduzia a produtividade e aumentava o custo de fabrico da peça.

Atualização do molde com canais de arrefecimento conformes

De acordo com a B&J Specialty information technology e o gestor de impressão 3D Jarod Rauch, a conduta automóvel parecia ser um forte candidato a um projeto de arrefecimento conforme modificado, o que ajudaria a melhorar a qualidade final da peça, a reduzir a sucata e a reduzir o ciclo de arrefecimento. A B&J Specialty propôs esta solução ao seu cliente, um fornecedor automóvel, que concordou em testar a nova metodologia. Fornecidos com o ficheiro CAD da geometria original, os engenheiros da B&J começaram a trabalhar utilizando o software Cimatron de conceção de moldes. "O Cimatron é praticamente um software de balcão único que nos permite ter plena funcionalidade CAD para a conceção e a opção de rolar à direita para construir a preparação a partir do mesmo pacote".

Rauch diz que a B&J Specialty descobriu a Cimatron enquanto investigava impressoras 3D metálicas para aplicações de arrefecimento em conformidade. "Vimos que a Cimatron fornece uma solução completa de ponta a ponta, incluindo software de conceção de moldes, software de preparação de construção e impressoras 3D, o que me entusiasmou com esta solução," diz Rauch. "A Cimatron não se concentra apenas na máquina, mas também na forma como os engenheiros concebem o aditivo".

Trabalhando dentro do Cimatron, os engenheiros da B&J removeram as linhas de refrigeração retas originais e substituíram-nas por linhas conformes que mantinham uma distância consistente da superfície da peça. A produção final do molde com impressão 3D metálica permitiu aos engenheiros conceber canais complexos com secções transversais e superfícies de interface melhoradas. Estas características ajudam a assegurar um fluxo turbulento, o que aumenta ainda mais a quantidade de calor transferida do molde para o líquido refrigerante para ajudar a um arrefecimento eficiente. A capacidade de arrefecimento mais eficiente das peças moldadas também ajuda a garantir a qualidade da peça, reduzindo a ocorrência de defeitos na peça, tais como deformações e marcas de afundamento. Um caminho direto para peças de maior qualidade poupa tempo e dinheiro, tanto para o construtor da ferramenta como para o operador do molde, limitando o número de correções, ensaios e amostragens necessárias para alcançar os resultados desejados.

Estabelecer Expetativas com Simulação Precisa

Os engenheiros da B&J exportaram então o ficheiro do molde do Cimatron para o software de simulação de moldagem por injeção Moldex3D para simulação de arrefecimento integrado. "A integração entre o Cimatron e o Moldex3D facilita a simulação do ciclo completo de moldagem por injeção, mapeia temperaturas através do molde e da peça, para identificar pontos quentes e frios e simular o efeito de diferentes tempos de arrefecimento", diz Rauch. A simulação também ajuda a destacar áreas onde o redesenho pode melhorar a estratégia global de arrefecimento antes de se fazer qualquer investimento numa peça física. As simulações comparativas, entre o desenho original do molde e o novo desenho com linhas de arrefecimento conformes, mostraram uma melhoria dramática na distribuição da temperatura para a nova peça, reduzindo a variação de temperatura em 86%.

Insertos de molde de impressão 3D com linhas de refrigeração conformes

Os engenheiros da B&J utilizaram o software 3DXpert metal AM para preparar os desenhos de inserção do molde para produção. Importaram os dados da peça, otimizaram a geometria, calcularam o percurso de digitalização, organizaram a plataforma de construção e enviaram o trabalho para a sua impressora interna ProX DMP 300 metal 3D, diretamente do software 3DXpert.

O ProX DMP 300 direciona um laser de alta precisão para acumular partículas de pó metálico seletivamente em camadas finas e horizontais, uma após a outra utilizando o material LaserForm. Para este molde de conduta automotiva, a B&J Specialty utilizou o material de aço maraging. "O ProX DMP 300 é ideal para produzir linhas de refrigeração conformes devido à sua extraordinária precisão", disse Rauch. "Podemos manter tolerâncias de três ou quatro milésimos de polegada". A tecnologia patenteada de impressão direta de metal (DMP) da Cimatron permite que partículas de material mais pequenas gerem os mais finos detalhes e as espessuras de parede mais finas. Uma qualidade de acabamento superficial de até 5 Ra μm (200 Ra micropolegadas) é alcançável e requer menos pós-processamento.

Ganhos Substanciais em Produtividade

Após a impressão em 3D, a B&J Specialty digitalizou as inserções no software de inspeção e metrologia Geomagic Control X, com a utilização de um scanner 3D de linha laser azul e sobrepôs a malha à geometria projetada para validar as inserções de molde metálico impressas em 3D. As inserções foram enviadas para o fornecedor automóvel que as instalou na sua máquina de moldagem. "Os testes de benchmark demonstraram que o arrefecimento mais uniforme, proporcionado pelas linhas conformadas, tornou possível reduzir o tempo de ciclo e aumentar a produtividade em 30%", afirmou Rauch. "Também esperamos que a vida útil do molde seja substancialmente mais elevada, uma vez que as reduções do tempo de ciclo, proporcionadas pela refrigeração conforme, permitem reduzir a pressão de injeção, o que, por sua vez, reduz o desgaste da linha de separação e dos detalhes intrincados do molde."