Canali conformali con la tecnologia additiva

Allo scopo di dimostrare i vantaggi che l’Additive Manufacturing può apportare al processo di stampaggio ad iniezione, l’articolo riporta come l’azienda TK Mold utilizzi sia le tecniche tradizionali che la tecnologia Laser Powder Bed Fusion per la realizzazione dei canali di raffreddamento dello stampo.

Lo stampaggio ad iniezione è uno dei processi di produzione più popolari. Com’è noto, è tipicamente applicato alla produzione di parti polimeriche termoplastiche e termoindurenti utilizzando stampi fabbricati in acciaio, che consente, in molti casi, milioni di cicli di iniezione nella produzione in serie. L’ottimizzazione del processo di raffreddamento è il punto in cui la produzione additiva (AM) si è dimostrata una soluzione preziosa perché consente la creazione di canali di raffreddamento che seguono da vicino la superficie di stampaggio. Queste superfici di stampaggio possono essere altamente complesse e sono quindi molto difficili da raffreddare. La tecnologia additiva consente la progettazione di parti che incorporano canali di raffreddamento che non sarebbero possibili utilizzando tecnologie e processi di produzione tradizionali. I produttori di stampi sono generalmente sotto pressione per produrre stampi a iniezione al prezzo più basso possibile. L’inserimento di inserti prodotti con AM negli stampi offre vantaggi significativi, ma presenta anche costi aggiuntivi. Pertanto, i costruttori di stampi devono dimostrare il valore dell’investimento aggiuntivo per il cliente finale. Ciò può essere evidenziato dal fatto che l’adozione del raffreddamento conforme è stata più elevata nelle aziende che gestiscono sia la produzione degli stampi che le operazioni di stampaggio.

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L’importanza dell’integrazione tecnologica

Mentre l’adozione dell’Additive Manufacturing è in aumento, molti produttori sono ancora riluttanti a utilizzarla. Una delle maggiori sfide per l’impiego della stampa 3D è integrarla nei flussi di lavoro costruiti su processi di produzione consolidati e maturi. In particolare, nel segmento degli stampi, i componenti e gli inserti prodotti con tecnologia additiva richiedono – in quasi tutti i casi – ulteriori operazioni di lavorazione sottrattiva per ottenere l’elevata qualità superficiale richiesta sulla superficie dello stampo. Di conseguenza, gli stampisti si aspettano che le soluzioni dei fornitori di AM in metallo possano gestire il flusso di lavoro dalla progettazione alla parte finale per fornire stampi che soddisfino specifiche precise. Software, stampanti 3D, materiali, tecnologie sottrattive, automazione e soluzioni di bloccaggio devono essere combinati per fornire un ecosistema efficiente per ridurre i costi e la complessità.

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Ripensare la progettazione degli stampi con la produzione additiva

Per dimostrare i vantaggi che l’Additive Manufacturing può apportare al processo di stampaggio ad iniezione, l’articolo racconta come l’azienda TK Mold, cliente di GF Machining Solutions dei suoi sistemi sottrattivi e additivi, utilizzi la tecnologia Laser Powder Bed Fusion. Fondata nel 1983, TK Mold è una filiale di TK Group (Holdings) Limited che è rinomata come produttore di stampi e parti in plastica per una varietà di settori tra cui l’assistenza sanitaria e i beni di consumo. TK Mold produce stampi e parti in plastica per telefoni cellulari, assistenza sanitaria, smart home, imballaggi, elettronica medica e di precisione.
Sia come produttore di stampi che come utilizzatore, l’azienda ha rapidamente colto i vantaggi dell’AM e vi ha investito per sviluppare inserti stampo con canali di raffreddamento conformali consentendole di migliorare produttività e qualità, oltre a fornire soluzioni più efficienti ai propri clienti.
TK Mold sta applicando la produzione additiva per produrre inserti di stampo in cui la lavorazione sottrattiva convenzionale non è in grado di ottenere la qualità e la produttività previste a un costo ragionevole. L’esempio in questione è comune nel settore dell’imballaggio, in particolare per i prodotti legati all’industria IT e della comunicazione (ICT). La parte in plastica su cui ci concentreremo in questo articolo è il supporto per fissare l’orologio all’interno della scatola.
La parte è prodotta in grandi serie cosi come l’imballaggio e il supporto. Le sfide per TK Mold sono quindi legate ai costi e alla produttività; poiché il prodotto finale è considerato un articolo di alto valore, ci sono requisiti in termini di estetica del supporto da rispettare.
Le sfide di questo tipo di componente di imballaggio sono molto comuni e il numero di applicazioni simili è infinito. Per quanto riguarda questa applicazione, TK Mold ha affrontato tre sfide critiche nella produzione:
– non è stato possibile raggiungere obiettivi di produttività e costi minimi per parte con i processi di produzione degli inserti di stampo convenzionali;
– i canali di raffreddamento non conformi hanno portato a una regolazione termica non ottimale;
– sono necessari costosi assemblaggi di componenti di inserti per migliorare il raffreddamento attraverso i metodi di produzione tradizionali.
Per migliorare il processo, gli ingegneri di TK Mold si sono concentrati solo sul miglioramento degli inserti degli stampi più critici, quelli con la maggiore influenza in termini di tempo di ciclo o qualità della parte.

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Integrazione dell’AM per la produzione di un inserto per stampi

GF Machining Solutions e 3D Systems collaborano allo sviluppo di soluzioni end-to-end che consentono ai produttori di produrre in modo più efficiente parti metalliche complesse. Ciò si ottiene integrando perfettamente l’AM nei processi di produzione esistenti attraverso lo sviluppo di un flusso di lavoro ottimizzato.

Design

Attraverso l’adozione dell’Additive Manufacturing, sono disponibili nuove possibilità di progettazione per i produttori di stampi. Tale libertà di progettazione deve essere padroneggiata tenendo conto sia dell’approccio di fabbricazione strato per strato che del materiale utilizzato per il processo. Questi due elementi si traducono in un insieme molto limitato di vincoli alla progettazione della parte, principalmente correlati agli elementi a sbalzo, alle dimensioni delle feature e alla facilità di rimozione della polvere. Per le parti prodotte mediante AM con canali di raffreddamento conformali, tali vincoli possono essere facilmente superati.
Le dimensioni e la forma dei canali interni hanno vincoli di progettazione. Le grandi aree a sbalzo richiedono strutture di supporto impossibili da rimuovere dall’interno della parte dopo la stampa. I diametri dei canali sono quindi di dimensioni limitate e le forme dei canali autoportanti sono preferibili alle tradizionali sezioni trasversali rotonde tipiche. La generazione di percorsi di raffreddamento conformali che seguano le linee guida di progettazione di cui sopra può richiedere molto tempo con i tradizionali strumenti software CAD. Per questo motivo, una soluzione software dedicata come 3DXpert® è molto utile per i progettisti di stampi per ottimizzare la qualità delle parti e ridurre i costi di progettazione e produzione. Ciò è reso possibile da un insieme unico di funzionalità che risparmiano all’utente ore di lavoro di progettazione prima di passare alle fasi di verifica e convalida basate sulla simulazione della progettazione dello stampo:
– generazione automatizzata e manuale del percorso di raffreddamento conformale;
– creazione semplice e veloce della geometria del canale;
– analisi delle aree di sbalzo del canale;
– analisi e ottimizzazione della distanza del canale dalle pareti delle parti;
– mappa a colori della distanza del canale dalle superfici attive.
3DXpert® include strumenti come la “mappa termica”, che consente ai progettisti di valutare rapidamente l’omogeneità e l’efficienza del raffreddamento. Ciò non sostituisce simulazioni più complete, ma consente all’utente di valutare rapidamente la qualità del progetto all’inizio del processo.

Simulazione

Prima di mandare in stampa l’inserto, la simulazione delle prestazioni termiche viene spesso eseguita per rilevare dove possano sorgere potenziali problemi. Ciò consente di interpretare se i canali ottimizzati saranno efficaci, in particolare se risulti necessario migliorare l’omogeneità della temperatura per ridurre i punti caldi. Gli strumenti di simulazione consentono al progettista di prevedere meglio l’efficienza in esercizio e quindi di essere più sicuro nella progettazione dei canali conformali posizionati all’interno dell’inserto dello stampo. In teoria convalida che i canali avranno un impatto positivo sul processo di iniezione e, in ultima analisi, sulla parte plastica.

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Produzione ibrida

Mentre la tecnologia additiva sta aiutando molte aziende del settore degli stampi a ottenere nuovi risparmi sui costi ed efficienza attraverso il raffreddamento conformale, la redditività economica di molte applicazioni richiede altri approcci. In effetti, queste applicazioni includono in genere parti che richiedono grandi quantità di materiale. Ciò rende le parti costose da produrre in quanto il costo della stampa additiva è direttamente collegato al volume di materiale da stampare. Per superare queste sfide e trovare il modo di integrare in maniera redditizia questa tecnologia, i produttori possono gestire questi prodotti lavorando in anticipo una preforma sulla quale verrà stampata soltanto la parte con caratteristiche a valore aggiunto in cui la tecnologia additiva può rivelarsi vantaggiosa. Questa combinazione di tecnologie sottrattive e additive si traduce in quelle che vengono comunemente indicate come “parti ibride”.
Il processo ibrido deve iniziare con la preforma fissata sulla piastra di stampa e deve essere accuratamente posizionata ed allineata.
I produttori devono generalmente fare affidamento sull’allineamento visivo o sulle macchine di misura a coordinate (CMM) per confermare l’accuratezza del posizionamento. Entrambe le tecniche richiedono molto tempo e, in caso di semplice allineamento visivo, sono soggette a errori dell’operatore. Con scostamenti superiori a 100 μm, queste tecniche non sono in grado di fornire la precisione richiesta per la maggior parte delle applicazioni finali.
Per risolvere questo problema, GF Machining Solutions e 3D Systems hanno sviluppato un’innovativa soluzione software che sfrutta la potenza dell’hardware di monitoraggio della pozza fusa disponibile sulle macchine di stampa 3D in metallo della serie DMP.
La funzione DMP Calibration sfrutta questo hardware di monitoraggio per un altro scopo: la scansione delle preforme per identificare i fori di localizzazione pre-lavorati nella superficie della parte. Il grande contrasto nella riflessione della luce tra la superficie della parte e tali fori consente un metodo estremamente affidabile per stabilire la posizione precisa della preforma sulla piattaforma di costruzione.
Inoltre, l’uso del laser consente il riferimento di più parti sulla stessa piattaforma di costruzione in un’unica operazione, accelerando ulteriormente la produzione; grazie all’elevato livello di precisione di questo sistema ottico, anche la qualità finale dell’operazione di riferimento è più elevata.
TK Mold utilizza il processo e le attrezzature sopra descritte per produrre parti ibride di alta qualità e produce circa il 90% degli stampi che richiedono canali di raffreddamento utilizzando il processo ibrido. Ad esempio, l’oggetto del presente caso di studio è stato ottenuto partendo da una preforma ottenuta da EDM a filo in due diverse fasi di posizionamento. Ogni preforma è stata quindi bloccata sulla piastra di interfaccia System 3R “AM Carrier”, accoppiata con la macchina DMP. Qui lo strumento DMP Calibration è stato sfruttato per fare correttamente riferimento a ciascuna preforma in modo indipendente attraverso il suo set di due fori di localizzazione, calcolando e applicando automaticamente sia le correzioni di traslazione che di rotazione al file di lavoro.
La stampa è stata eseguita con la polvere LaserForm® Maraging Steel – un materiale collaudato per il settore stampi grazie alla sua resistenza all’usura – su una macchina DMP Flex 350.

Post-elaborazione

Una volta stampata la parte, sono necessarie operazioni di post-lavorazione per ottenere la rugosità della superficie prevista sulla geometria finale. Viene eseguita una prima fase di programmazione per generare il percorso utensile per l’area stampata di finitura della superficie. Un vero vantaggio qui è il software Cimatron® di 3D Systems, che fornisce all’utente una transizione senza soluzione di continuità tra AM e post-lavorazione. Una volta pronto il programma, l’inserto viene bloccato all’interno di un centro di lavoro a 5 assi Mikron MILL S 400 U di GF Machining Solutions.

Maggiore efficienza e produttività con costi operativi totali inferiori

Una volta terminato l’inserto ottimizzato, l’osservazione si concentrerà qui su due elementi: il tempo di ciclo e successivamente la qualità delle parti.
Se osserviamo i dati di iniezione raccolti nella Tabella in questa pagina, vediamo che il tempo totale del ciclo di iniezione varia tra 21,70 e 21,79 s con un inserto tradizionale. Con l’inserto ottimizzato, il tempo di raffreddamento viene ridotto e i tempi di ciclo si stabilizzano tra 16,98 e 17,01 s. Ciò rappresenta un aumento significativo della produttività grazie ad un tempo ciclo ridotto del 22%.
Le conseguenze di questo aumento di produttività sono molteplici. TK Mold è ora in grado di aumentare la produzione da 189.788 pezzi a 242.250 pezzi al mese, può migliorare la ripetibilità e la qualità finale della parte in plastica e quindi ridurre questi costi di scarto soddisfacendo al contempo il suo cliente finale.

Conclusioni

Grazie alla loro competenza in molteplici campi e processi, fornitori di tecnologia come GF Machining Solutions e 3D Systems possono offrire soluzioni industriali che rendono quanto sopra possibile alla migliore qualità. Ciò è ulteriormente migliorato da prodotti e strumenti dedicati, come il modulo software 3DXpert® per la progettazione e l’analisi dei canali di raffreddamento conformali e lo strumento di calibrazione della serie di macchine DMP per la produzione di parti ibride attraverso l’allineamento automatizzato e privo di errori dell’utente di preforme e substrati all’interno della macchina AM con la massima precisione. In conclusione, per la produzione di stampi così come per altri settori, deve essere considerato un intero ecosistema, che comprende software, Additive Manufacturing e macchine sottrattive, materiali, automazione e soluzioni di utensili, che devono essere combinati e integrati in modo efficiente per ridurre i costi di progettazione e produzione e quindi lasciare che la tecnologia AM esprima il suo pieno potenziale come processo industriale.