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

Large temperature variations in an injection-molding cooling cycle can dramatically increase the risk of parts warping. When tests of a conventionally-designed and manufactured injection-molded automotive duct yielded temperature fluctuations of 132˚C throughout the process, B&J Specialty, Inc. recommended conformally-cooled mold inserts to its client for more even cooling.

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 de temperatura durante o arrefecimento para 18˚C e o tempo de ciclo de retracção no molde de um minuto para 40 segundos, uma melhoria de produtividade global de 30 por cento.

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 injecção têm superfícies curvas, mas as brocas utilizadas para criar canais de refrigeração apenas produzem linhas rectas. Na maioria dos casos, isto significa que é impossível fazer corresponder as linhas de arrefecimento à geometria da peça. As linhas rectas 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 de 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 rectas de arrefecimento através de um cubo e bloco estator que foram utilizados para ajustar a geometria do molde para ter em conta a deformação. Como é frequentemente o caso das formas irregulares, várias características chave da conduta foram distanciadas das linhas de arrefecimento devido à limitação dos canais rectos. As variações de temperatura resultantes 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.

Actualização 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 projecto 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 de concepção de moldes Cimatron. "Cimatron é praticamente um software de balcão único que nos permite ter plena funcionalidade CAD para a concepção e dá-nos a opção de rolar à direita para construir a preparação a partir do mesmo pacote".

Rauch diz que a B&J Specialty descobriu 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 concepção de moldes, software de preparação de construção, e impressoras 3D, o que me entusiasmou com esta solução," diz Rauch. "Cimatron não se concentra apenas na máquina, mas também na forma como os engenheiros concebem o aditivo".

Trabalhando dentro de Cimatron, os engenheiros da B&J removeram as linhas de refrigeração rectas 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 directo 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 correcções, ensaios e amostragens necessárias para alcançar os resultados desejados.

Estabelecer Expectativas com Simulação Precisa

Os engenheiros da B&J exportaram então o ficheiro do molde de Cimatron para o software de simulação de moldagem por injecção Moldex3D para simulação de arrefecimento integrado. "A integração entre Cimatron e Moldex3D facilita a simulação do ciclo completo de moldagem por injecção, mapeia temperaturas através do molde e 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 por cento.

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

Os engenheiros da B&J utilizaram então o software 3DXpert metal AM para preparar os desenhos de inserção de molde para produção. Importaram os dados da peça, optimizaram 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 directamente do software 3DXpert.

O ProX DMP 300 dirige um laser de alta precisão para acumular partículas de pó metálico selectivamente em camadas finas e horizontais, uma após a outra utilizando material LaserForm. Para este molde de conduta automotiva, a B&J Specialty utilizou 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 Cimatron de impressão directa de metal (DMP) permite que partículas de material mais pequenas gerem os mais finos detalhes de características 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 3D, a B&J Specialty digitalizou os insertos no software de inspecção e metrologia Geomagic Control X utilizando um scanner 3D de linha laser azul e sobrepôs-se à malha na geometria conforme concebida para validar os insertos de molde metálicos impressos em 3D. Os insertos foram enviados para o fornecedor automóvel que os instalou na sua máquina de moldagem. "Os testes de referência demonstraram que o arrefecimento mais uniforme proporcionado pelas linhas de conformação tornou possível reduzir o tempo de ciclo e aumentar a produtividade em 30%", disse Rauch. "Esperamos também que a vida útil do molde seja substancialmente maior, uma vez que as reduções do tempo de ciclo proporcionadas pela refrigeração conformada permitem reduzir a pressão de injecção, o que, por sua vez, reduz o desgaste na linha de separação e detalhes intrincados do molde".