Fin dalla nascita dello stampaggio a iniezione industriale, il mantenimento di una temperatura costante sulla superficie dello stampo rimane sempre la sfida principale.

Nella loro ricerca di una soluzione per mantenere costanti le temperature, i produttori hanno utilizzato deflettori, gorgogliatori e tubi di calore, hanno laminato insieme blocchi e aggiunto complessi sistemi di perforazione ai loro stampi.

Nell'ultimo decennio, il raffreddamento conforme (la designazione di canali di raffreddamento che seguono naturalmente i bordi della parte da produrre) si è attestato come soluzione per il controllo delle temperature di stampaggio a iniezione. Tuttavia, il raffreddamento conforme aggiunge nuovi livelli di complessità di progettazione e produzione al processo di creazione di stampi, collocandolo ben oltre i mezzi della maggior parte delle officine.
 

"Metodologia solidissima"

Bastech, un fornitore di soluzioni one-source con sede in Ohio (USA) per officine, servizi di produzione additiva e vendita di apparecchiature, ha avuto problemi con le temperature ma ritiene di aver trovato un modo per introdurre un nuovo livello di semplicità, efficienza e convenienza nel raffreddamento conforme. Alla ricerca dell'azienda ha contribuito il suo stato di socio Gold autorizzato da 3D Systems, che ha offerto l'accesso alle più recenti informazioni e tecnologie di stampa 3D.

L'innovazione di Bastech, documentata in due recenti test di dimostrazione, si basa sul software di creazione di stampi Cimatron™ di 3D Systems e il relativo sistema di stampa diretta in metallo (DMP) ProX® 200. Le simulazioni per le progettazioni di stampi di raffreddamento conforme vengono eseguite utilizzando il software Moldex3D, un partner con 3D Systems e gli stampi DMP completati vengono ispezionati utilizzando il software 3D Systems Geomagic® Control.

Il processo rappresenta una soluzione di produzione end-to-end con un'integrazione semplice tra mondo digitale e mondo reale, grazie ai prodotti 3D Systems.

"La combinazione di un potente software realizzato per sfruttare completamente le capacità della stampa 3D con stampanti che offrono una parte in metallo a densità completa con superfici uniformi, mentre la post-elaborazione limitata fornisce una robusta metodologia per la costruzione di stampi di raffreddamento personalizzati", afferma Ben Staub, CEO di Bastech.
 

Automazione di progettazione e analisi

La prima dimostrazione di prova di Bastech prevedeva il confronto di due parti molto simili in termini di volume, dimensioni e configurazione della progettazione. Una è stata progettata con una base conforme, quindi stampata in 3D, mentre l'altra è stata progettata con una configurazione con deflettore a spirale standard e prodotta con mezzi convenzionali.

Il progetto con raffreddamento conforme è stato creato con Cimatron, software CAD/CAM dedicato che comprende l'intero ciclo di creazione di stampi, dalla preventivazione all'applicazione di modifiche tecniche, alla programmazione NC ed EDM. L'ultima versione di Cimatron include capacità di analisi e progettazione con raffreddamento che supportano sia canali di raffreddamento forati in maniera tradizionale sia canali di raffreddamento conforme per la produzione, utilizzando le tecnologie di stampa  3D .

Tramite una stretta integrazione con Moldex3D, i progettisti di stampi a iniezione che lavorano in Cimatron hanno la capacità di eseguire un'analisi di riempimento di stampi automatizzata per ottimizzare la disposizione dei canali di raffreddamento.

"La combinazione di Cimatron e Moldex offre un software specifico per supportare i tecnici con meno esperienza nella creazione di progetti di qualità migliore", spiega Staub. "Si tratta di una considerazione importante, in quanto la domanda di produttori di utensili esperti è molto più elevata rispetto all'esigua offerta".

"La progettazione per la stampa 3D richiede una conoscenza della progettazione del supporto strutturale per ottenere progetti basati su requisiti reali, nonché una riduzione dei tempi di costruzione e dei costi del materiale", aggiunge Scott Young, responsabile tecnico di Bastech. "Questo tipo di competenza viene costruita nel software Cimatron per consentire ai nostri progettisti di concentrarsi sulla progettazione senza preoccuparsi della navigazione tramite il pacchetto CAD per definire complessi canali interni".
 

Notevoli risparmi in termini di tempo e cicli

Il progetto di Bastech per il primo confronto di prova consisteva in un'elica conica che è stata collocata all'interno di un cono di spaziatura utilizzato per assemblaggi industriali. I canali di raffreddamento conforme sono stati creati ruotando una configurazione a goccia in modo che un lato fosse parallelo alla superficie esterna della base, mantenendo nel contempo una distanza costante dalla stessa. Facendo scorrere la sezione trasversale lungo un'elica conica, Bastech è riuscita a progettare la geometria che ProX 200 realizzerebbe in un unico ciclo.

La progettazione per lo stampo stampato in 3D ha richiesto due giorni ed è stata realizzata su ProX 200 in tre giorni. Per massimizzare la produttività, Bastech ha combinato i cicli di stampa 3D degli stampi con parti necessarie per altri progetti Bastech.

ProX 200  è un'alternativa economica ai tradizionali processi di produzione che offre una riduzione degli sprechi, velocità di produzione superiori, brevi tempi di configurazione, parti metalliche ad alta densità e capacità di produrre assemblaggi complessi in una singola parte. 

"Si tratta di uno strumento che migliora le nostre capacità relative allo stampaggio", afferma Staub. "Ci offre tempi di risposta migliori per la strumentazione e risolve i problemi relativi ai colli di bottiglia in officina. Possiamo risparmiare 30-40 ore per stampo eliminando EDM e foratura, oltre a ridurre notevolmente il lavoro di lucidatura e CNC".

Per il nucleo elicoidale a flusso inverso, la progettazione e l'analisi del software Cimatron, insieme alla stampa 3D su ProX 200, ha consentito di risparmiare oltre 40 ore di programmazione e tempo trascorso in officina. Dopo aver considerato tutti i costi, il nucleo stampato in 3D ha consentito un risparmio netto di $ 1.765 (18%) rispetto ai metodi convenzionali, secondo quanto affermato da Young.

Ancora più importante, lo stampo a raffreddamento conforme ha mantenuto una temperatura inferiore durante l'intero ciclo e ha ridotto i tempi di quest'ultimo del 22%.

"I tempi del ciclo rappresentano quasi tutto nello stampaggio a iniezione, insieme alla capacità di controllare in maniera costante la temperatura", spiega Staub.

"Se riusciamo a mantenere costante la temperatura, anche la qualità dello stampaggio delle parti risulterà eccellente", spiega Young. "L'eliminazione delle alterazioni dovute a variazioni di temperatura e la riduzione dei tempi di ciclo migliorano notevolmente le prestazioni".

Risultati del confronto di prova: base realizzata con deflettore e base conforme

Risparmi oltre la base

In un secondo confronto, Bastech è andato oltre il nucleo conforme per progettare un nucleo completo, una cavità e uno stampo scorrevole per la stampa 3D. In tal caso, l'obiettivo era mantenere la stessa temperatura (43 °C/110 °F) tra i progetti convenzionali e quelli conformi per capire quanto avrebbe influito sui risultati di raffreddamento e sui tempi di ciclo.

Ancora una volta, è stato rilevato un notevole risparmio in termini di tempo per la programmazione, la lavorazione a macchina e la lucidatura, e la procedura EDM è stata completamente eliminata nella progettazione di raffreddamento conforme. L'automazione con il software Cimatron ha ridotto i tempi di progettazione da 30 a sole sette ore per gli stampi di raffreddamento conforme. Il risparmio totale per gli stampi stampati in 3D è stato di $ 2.505, pari al 16%.

I tempi di raffreddamento si sono ridotti da 10,5 secondi per lo stampo convenzionale a 7,5 secondi per lo stampo conforme, mentre i tempi di ciclo importanti sono stati ridotti del 14%.

"Anche se la temperatura è rimasta invariata sia per la progettazione di raffreddamento sia per quella conforme, la progettazione conforme ha forzato più liquido attraverso un'area superficiale superiore, rendendola più efficiente nel raffreddamento dello stampo", afferma Young.

Risultati del confronto di prova: base convenzionale e base conforme

Impatto globale maggiore 

"Il desiderio di ottenere tecniche di raffreddamento migliori non è una novità", afferma Young. "Ora disponiamo del software adatto a supportare i produttori di stampi nella scelta di decisioni migliori sull'impostazione di cavità, basi e inserti, per poi realizzarli con stampa diretta in metallo 3D".

"Con il raffreddamento tradizionale per lo stampaggio a iniezione non esiste una situazione perfetta", sostiene Staub. "Puoi limitarti praticare fori in determinati punti ma senza poterli curvare attorno ai canali, al contrario di quanto avviene con il raffreddamento conforme progettato per la stampa 3D. Ora non siamo più costretti a scendere a compromessi nei progetti di raffreddamento conforme".

Bastech ha acquistato il sistema ProX 200 DMP tramite una borsa di studio erogata dallo stato dell'Ohio (USA) e dall'Istituto di ricerca dell'Università di Dayton. Pertanto, parte della missione dell'azienda è condividere i risultati con la comunità industriale. Staub si augura che l'impegno profuso nel confronto di prova mostri alle officine di qualsiasi dimensione che esistono robuste soluzioni end-to-end per ottenere il raffreddamento conforme.

"Diversi produttori di utensili avranno bisogno di adottare queste tecnologie 3D per migliorare le loro officine", conferma. "Desideriamo condividere i nostri successi affinché le altre officine possano scoprire non solo che tutto ciò è possibile ma che influisce fortemente sul risultato finale globale".