Bastech utilizza inserti di raffreddamento conformati stampati in 3D per ridurre tempi e costi

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

Nella 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 agli stampi.

Nell’ultimo decennio, il raffreddamento conformato (la designazione di canali di raffreddamento che seguono naturalmente i bordi della parte) si è attestato come soluzione per il controllo delle temperature dello stampaggio a iniezione. Tuttavia, il raffreddamento conformato 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 (Stati Uniti) 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 conformato. Alla ricerca dell’azienda ha contribuito il suo stato di socio Gold autorizzato da 3D Systems, che ha consentito di accedere alle più recenti informazioni e tecnologie di stampa 3D.

L’innovazione di Bastech, documentata in due recenti test comparativi, si basa sul software CAD/CAM Cimatron e sulla stampante 3D ProX DMP 200. Bastech esegue simulazioni per le progettazioni di stampi di raffreddamento conformato utilizzando il software Moldex3D, un partner di 3D Systems; una volta completati, gli stampi per la stampa diretta in metallo (DMP) vengono ispezionati utilizzando il software di ispezione e metrologia Geomagic Control X.

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 appieno le capacità della stampa 3D e di stampanti che realizzano una parte in metallo a densità completa, con superfici uniformi e una post-elaborazione limitata, fornisce una valida metodologia per la costruzione di stampi di raffreddamento personalizzati”, afferma Ben Staub, CEO di Bastech.

Automazione di progettazione e analisi

Il primo test comparativo di Bastech prevedeva il confronto di due parti molto simili in termini di volume, dimensioni e configurazione della progettazione. Bastech ha progettato una parte con un nucleo conformato e l’ha stampata in 3D, mentre l’altra è stata progettata con una configurazione con deflettore a spirale standard e prodotta con tecniche convenzionali.

Bastech ha creato il progetto per il raffreddamento conformato con il software Cimatron che interessa l’intero ciclo di creazione degli stampi, dalla preventivazione alla progettazione e all’applicazione di modifiche tecniche, fino alla programmazione NC e EDM. Cimatron offre funzioni di analisi e progettazione di sistemi di raffreddamento che supportano sia i canali di raffreddamento forati in maniera tradizionale sia i canali di raffreddamento conformato 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 approfondita della progettazione dei supporti strutturali 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 è integrata nel software Cimatron, che permette ai nostri progettisti di concentrarsi sulla progettazione senza preoccuparsi della navigazione attraverso il pacchetto CAD per definire complessi canali interni”.

Risparmi in termini di tempo e cicli

Il progetto di Bastech per il primo test comparativo consisteva in un’elica conica posizionata all’interno di un cono di spaziatura utilizzato per gli assemblaggi industriali. I canali di raffreddamento conformato sono stati creati ruotando una configurazione a goccia in modo che un lato fosse parallelo alla superficie esterna del nucleo, mantenendo nel contempo una distanza costante dalla stessa. Facendo scorrere la sezione trasversale lungo un’elica conica, Bastech ha progettato la geometria che la stampante ProX DMP 200 è in grado di realizzare in un unico ciclo.

La progettazione dello stampo ha richiesto due giorni, quindi lo stampo è stato realizzato in 3D con ProX DMP 200 in tre giorni. Per massimizzare la produttività, Bastech ha combinato il ciclo di stampa 3D dello stampo con parti necessarie per altri progetti Bastech.

ProX DMP 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. “Riduce i tempi di completamento degli stampi e risolve i problemi legati ai colli di bottiglia in officina. Possiamo risparmiare 30-40 ore per stampo eliminando EDM e foratura, oltre a ridurre notevolmente la lavorazione CNC e il lavoro di lucidatura”.

Per il nucleo elicoidale a flusso inverso, la progettazione e l’analisi del software Cimatron, unitamente alla stampa 3D su ProX DMP 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 portato a un risparmio netto di $ 1.765 (18%) rispetto ai metodi convenzionali, secondo quanto affermato da Young.

Ancora più importante, lo stampo con raffreddamento conformato 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".

Risparmio oltre le aspettative

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

Ancora una volta, Bastech ha registrato un notevole risparmio di tempo per la programmazione, la lavorazione e la lucidatura, eliminando completamente la procedura EDM dalla progettazione dei sistemi di raffreddamento conformato. L’automazione con il software Cimatron ha ridotto i tempi di progettazione da 30 ore a sole sette ore per gli stampi con raffreddamento conformato. Il risparmio totale per lo stampo stampato 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 conformato, mentre i tempi di ciclo 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.

Effetto tangibile sui costi 

“Il desiderio di ottenere tecniche di raffreddamento migliori non è una novità”, afferma Young. “Ora disponiamo del software adatto per supportare i produttori di stampi nell’adozione di decisioni migliori riguardo all’impostazione di cavità, nuclei e inserti, per poi realizzarli con la stampa 3D diretta in metallo”.

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

Bastech ha acquistato la stampante ProX DMP 200 tramite una borsa di studio erogata dallo stato dell’Ohio 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 di Bastech nell’analisi comparativa mostri alle officine di qualsiasi dimensione che esistono valide soluzioni end-to-end per ottenere il raffreddamento conformato.

“Diversi produttori di stampi avranno bisogno di adottare queste tecnologie 3D per migliorare le loro officine”, sottolinea Staub. “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”.